Лаборатория за дизайн на компютърни материали: Какво може да даде USPEX? Артем Оганов. Компютърен дизайн от нови материали: мечта или реалност? Компютърно проектиране от нови материали

Артем Оганов, един от най-цитираните теоретични минералози в света, ни разказа за компютърното прогнозиране, което напоследък стана постижимо. По-рано този проблем не можеше да бъде решен, тъй като проблемът с компютърното проектиране на нови материали включва проблема с кристалните структури, който се смяташе за нерешим. Но благодарение на усилията на Оганов и неговите колеги те успяха да се доближат до тази мечта и да я превърнат в реалност.

Защо тази задача е важна: Преди това нови вещества се разработваха много дълго време и с много усилия.

Артем Оганов: „Експериментаторите отиват в лабораторията. Различни вещества се смесват при различни температури и налягания. Вземете нови вещества. Измерете техните свойства. По правило тези вещества не представляват интерес и се изхвърлят. И експериментаторите отново се опитват да получат малко по-различно вещество при различни условия, с малко по-различен състав. И така, стъпка по стъпка, преодоляваме много неуспехи, прекарвайки години от живота си за това. Оказва се, че изследователите, с надеждата да получат един материал, харчат огромно количество усилия, време, а също и пари. Този процес може да отнеме години. Може да се окаже задънена улица и никога да не доведе до откриване на правилния материал. Но дори когато води до успех, този успех идва с много висока цена."

Следователно е необходимо да се създаде такава технология, която да прави прогнози без грешки. Тоест не да експериментираме в лаборатории, а да инструктираме компютъра да предвиди какъв материал, с какъв състав и температура ще има желаните свойства при определени условия. И компютърът, преминавайки през многобройни опции, ще може да даде отговор какъв химичен състав и каква кристална структура ще отговаря на зададените изисквания. Резултатът може да бъде такъв, че желаният материал да не съществува. Или не е сам.
И тук възниква втори проблем, чието решение все още не е налично: как да получите този материал? Тоест химическият състав, кристалната структура е ясна, но все още няма начин да се приложи, например, в индустриален мащаб.

Технология за прогнозиране

Основното нещо, което трябва да се предвиди, е кристалната структура. Преди това не беше възможно да се реши този проблем, тъй като има много възможности за подреждане на атомите в пространството. Но преобладаващото мнозинство от тях не представляват интерес. Важни са онези варианти на подреждане на атомите в пространството, които са достатъчно стабилни и притежават необходимите за изследователя свойства.
Какви са тези свойства: висока или ниска твърдост, електрическа проводимост и топлопроводимост и т.н. Кристалната структура е важна.

„Ако мислите, да речем, за въглерода, нека да разгледаме диаманта и графита. Химически те са едно и също вещество. Но свойствата са напълно различни. Черен супер мек карбон и прозрачен супер твърд диамант - каква е разликата между тях? Това е кристалната структура. Благодарение на нея едната субстанция е супер твърда, другата е супер мека. Единият е практически метален проводник. Другият е диелектричен."

За да се научите как да предсказвате нов материал, първо трябва да се научите да предсказвате кристалната структура. За това Оганов и колегите му предложиха еволюционен подход през 2006 г.

„При този подход ние не се опитваме да вземем проби от цялото безкрайно разнообразие от кристални структури. Ще го изпробваме стъпка по стъпка, като започнем с малка произволна извадка, в която класираме възможните решения, най-лошото от които изхвърляме. И от най-добрите произвеждаме дъщерни варианти. Дъщерните варианти се получават чрез различни мутации или чрез рекомбинация - по наследственост, при което от двама родители комбинираме различни структурни особености на състава. Това поражда дъщерна структура – ​​детски материал, детски химически състав, детска структура. След това се оценяват и тези дъщерни дружества. Например по резистентност или по химическо или физическо свойство, което ви интересува. А тези, които бяха класирани като нерентабилни, изхвърляме. Тези, които са обещаващи, получават правото да произвеждат потомство. Ние произвеждаме следващото поколение чрез мутация или наследственост."

И така, стъпка по стъпка, учените се доближават до материала, който е оптимален за тях по отношение на дадено физическо свойство. Еволюционният подход в този случай работи по същия начин като Дарвиновата теория на еволюцията; този принцип се прилага от Оганов и неговите колеги на компютър при търсене на кристални структури, които са оптимални от гледна точка на дадено свойство или стабилност.

„Мога също да кажа (но това вече е малко на ръба на хулиганството), че когато работихме по този метод (между другото, развитието продължава. Той се подобрява все повече и повече), експериментирахме с различни начини на еволюция . Например, ние се опитахме да произведем едно дете не от двама родители, а от трима или четирима. Оказа се, че както в живота е оптимално да се роди едно дете от двама родители. Едно дете има двама родители - татко и мама. Не три, не четири, не двадесет и четири. Това е оптимумът както в природата, така и на компютъра."

Оганов патентова своя метод и сега той се използва от почти хиляди изследователи по света и няколко големи компании като Intel, Toyota и Fujitsu. Toyota, например, според Оганов, използва този метод от известно време, за да изобрети нов материал за литиеви батерии, който ще се използва в хибридни автомобили.

Проблем с диамантите

Смята се, че диамантът, който е рекордьор по твърдост, е оптималният свръхтвърд материал за всички приложения. Това обаче не е така, защото в желязото например се разтваря, а в кислородна среда при високи температури изгаря. Като цяло търсенето на материал, който би бил по-твърд от диаманта, тревожи човечеството от много десетилетия.

„Просто компютърно изчисление, което беше извършено от моята група, показва, че такъв материал не може да съществува. Всъщност само диамантът може да бъде по-твърд от диаманта, но в нанокристална форма. Други материали не са в състояние да победят диаманта по твърдост."

Друго направление на групата на Оганов е прогнозирането на нови диелектрични материали, които биха могли да послужат като основа за суперкондензатори за съхранение на електрическа енергия, както и за по-нататъшно миниатюризиране на компютърни микропроцесори.
„Тази миниатюризация всъщност среща пречки. Тъй като съществуващите диелектрични материали не издържат достатъчно добре на електрически заряди. Те изтичат. И по-нататъшното миниатюризиране е невъзможно. Ако можем да получим материал, който се държи върху силиций, но в същото време има много по-висока диелектрична константа от материалите, които имаме, тогава можем да решим този проблем. И в тази посока имаме доста сериозен напредък”.

И последното, което прави Оганов, е разработването на нови лекарства, тоест и тяхното прогнозиране. Това е възможно поради факта, че учените са се научили да предсказват структурата и химичния състав на повърхността на кристалите.

„Факт е, че повърхността на кристала често има химичен състав, който се различава от веществото на самия кристал. Структурата също много често е коренно различна. И открихме, че повърхностите на прости, привидно инертни оксидни кристали (като магнезиев оксид) съдържат много интересни йони (като йонен пероксид). Те също така съдържат групи, подобни на озона, съставени от три кислородни атома. Това обяснява едно изключително интересно и важно наблюдение. Когато човек вдишва фини частици от оксидни минерали, които на пръв поглед са инертни, безопасни и безвредни, тези частици изиграват жестока шега и допринасят за развитието на рак на белия дроб. По-специално, азбестът е известен като канцероген, който е изключително инертен. И така, на повърхността на такива минерали като азбест и кварц (особено кварц) могат да се образуват пероксидни йони, които играят ключова роля в образуването и развитието на рак. Нашата техника може също да предскаже условията, при които може да се избегне образуването на този вид частици. Тоест дори има надежда да се намери терапия и превенция на рак на белия дроб. В случая говорим само за рак на белия дроб. И от напълно неочаквана страна, резултатите от нашето изследване направиха възможно да се разбере и може би дори да се предотврати или излекува рак на белия дроб.

За да обобщим, прогнозирането на кристалните структури може да играе ключова роля в дизайна на материалите както за микроелектрониката, така и за фармацевтичните продукти. Като цяло тази технология открива нов път в технологиите на бъдещето, сигурен е Оганов.

Можете да прочетете за други области на лабораторията на Артем, като следвате връзката и се запознаете с неговата книга Съвременни методи за прогнозиране на кристалната структура

Публикуваме текста на лекция, изнесена от професор в Държавния университет в Ню Йорк, доцент в Московския държавен университет, почетен професор в университета Гуилин.Артем Оганов 8 Септември 2012 г. като част от поредицата „Публични лекции“ Polit.ru „на фестивала на книгата на открито BookMarket в парка на изкуствата "Музеон".

"Публични лекции" Polit.ru "" се провеждат с подкрепата на:

Текст на лекцията

Много съм благодарен на организаторите на този фестивал и на Polit.ru за поканата. За мен е чест да изнеса тази лекция; Надявам се да ви е интересно.

Лекцията е пряко свързана с нашето бъдеще, защото нашето бъдеще е невъзможно без нови технологии, технологии, свързани с качеството ни на живот, тук е iPad, тук е нашия проектор, цялата ни електроника, енергоспестяващи технологии, технологии, които са свикнали да очистване на околната среда, технологии, прилагани в медицината и т.н. - всичко това зависи до голяма степен от новите материали, новите технологии изискват нови материали, материали с уникални, специални свойства. И ще има разказ за това как тези нови материали могат да бъдат разработени не в лаборатория, а на компютър.

Лекцията е на тема: „Компютърен дизайн на нови материали: мечта или реалност?“ Ако това беше само сън, тогава лекцията нямаше да има смисъл. Сънищата обикновено са нещо извън сферата на реалността. От друга страна, ако това вече беше напълно реализирано, лекцията също нямаше да има смисъл, тъй като нов вид методология, включително теоретични изчислителни, когато вече са напълно разработени, преминават от категорията на науката към категорията на рутинни индустриални задачи. Всъщност тази област е напълно нова: компютърният дизайн на нови материали е някъде по средата между мечтата - това, което е невъзможно, това, за което мечтаем в свободното си време - и реалността, това е област, която все още не е напълно завършена, това е област, която се развива в момента. И тази област ще позволи в близко бъдеще да се отклони от традиционния метод за откриване на нови материали, лаборатория и да започне компютърно проектиране на материали, би било едновременно по-евтино и по-бързо, в много отношения дори по-надеждно. И ето как да го направите и аз ще ви кажа. Това е пряко свързано с проблема за прогнозиране, предсказване на структурата на веществото, тъй като структурата на веществото определя неговите свойства. Различната структура на едно и също вещество, да речем въглерода, определя свръхтвърдия диамант и супер мекия графит. Структурата в този случай е всичко. Структурата на веществото.

Като цяло тази година празнуваме стогодишнината от първите експерименти, които направиха възможно откриването на структурата на материята. Преди много време, от древни времена, хората са предполагали, че материята се състои от атоми. Споменаване за това може да се намери например в Библията, в различни индийски епоси, а доста подробни препратки към това могат да се видят в Демокрит и Лукреций Кара. И първото споменаване за това как работи материята, как тази материя се състои от тези дискретни частици, атоми, принадлежи на Йоханес Кеплер, великият математик, астроном и дори астролог – по това време астрологията все още се смяташе за наука, за съжаление. Кеплер нарисува първите снимки, в които обяснява шестоъгълната форма на снежинките, а структурата на леда, предложена от Кеплер, макар и различна от реалността, е подобна в много отношения с нея. Но въпреки това хипотезата за атомната структура на материята остава хипотеза до 20-ти век, докато преди сто години тази хипотеза не е научно доказана за първи път. Това се доказа с помощта на моята наука, кристалографията, една сравнително нова наука, която се ражда в средата на 17 век, 1669 г. е официалната дата на раждане на науката кристалография и е създадена от прекрасния датски учен Николай Стенон. Всъщност той се казваше Нилс Стенсен, той беше датчанин, латинизираното име беше Николай Стенон. Той основава не само кристалографията, но и редица научни дисциплини и формулира първия закон на кристалографията. Оттогава започва да се развива кристалографията по ускоряваща се траектория.

Николай Стенон имаше уникална биография. Той стана не само основател на няколко науки, но и беше канонизиран в Католическата църква. Най-великият немски поет Гьоте е бил и кристалограф. И Гьоте има цитат, че кристалографията е непродуктивна, съществува вътре в себе си и като цяло тази наука е напълно безполезна и не е ясно защо е необходима, но като пъзел е много интересна и поради това привлича много умни хора. Това каза Гьоте в една научнопопулярна лекция, която изнесе някъде в спа курортите на Баден пред богати, излежаващи се дами. Между другото, има минерал, кръстен на Гьоте, гьотит. Трябва да кажа, че по това време кристалографията наистина беше доста безполезна наука, наистина на нивото на някакви математически шаради и пъзели. Но времето мина и преди 100 години кристалографията напусна сама по себе си категорията на подобни науки и се превърна в изключително полезна наука. Това беше предшествано от голяма трагедия.

Повтарям, атомната структура на материята остава хипотеза до 1912 г. Великият австрийски физик Лудвиг Болцман основава всичките си научни аргументи на тази хипотеза за атомността на материята и беше остро критикуван от много от опонентите си: „как можеш да изградиш всичките си теории върху недоказана хипотеза?“ Лудвиг Болцман, повлиян от тази критика и лошо здраве, се самоубива през 1906 г. Той се обеси, докато беше на почивка със семейството си в Италия. Само 6 години по-късно е доказана атомната структура на материята. Така че, ако беше малко по-търпелив, щеше да триумфира над всичките си противници. Търпението понякога означава повече от разум, търпението означава повече дори от гениалност. И така - какви бяха тези експерименти? Тези експерименти са направени от Макс фон Лауе, по-точно неговите аспиранти. Самият Макс фон Лауе не е правил такива експерименти, но идеята му принадлежи. Идеята беше, че ако материята наистина се състои от атоми, ако наистина, както предполага Кеплер, атомите се изграждат в кристал по периодичен редовен начин, тогава трябва да се наблюдава интересно явление. Рентгеновите лъчи бяха открити не много преди това. Физиците по това време вече добре разбраха, че ако дължината на вълната на излъчване е сравнима с дължината на периодичността - характерната дължина на обект, в този случай - кристал, тогава трябва да се наблюдава феноменът на дифракция. Тоест лъчите ще пътуват не само строго по права линия, но и ще се отклоняват под напълно строго определени ъгли. Така от кристала трябва да се наблюдава някаква много специална рентгенова дифракционна картина. Беше известно, че дължината на вълната на рентгеновите лъчи трябва да бъде подобна на размера на атомите; ако атомите съществуват, бяха направени оценки за размера на атомите. По този начин, ако атомната хипотеза за структурата на материята е вярна, тогава трябва да се наблюдава дифракция на рентгенови лъчи на кристалите. Какво може да бъде по-лесно, как да проверя?

Проста идея, прост експеримент, за който след малко повече от година, Laueполучи Нобелова награда по физика. И можем да опитаме този експеримент. Но, за съжаление, сега е твърде леко за всеки да наблюдава този експеримент. Но може би можем да опитаме с един свидетел? Кой би могъл да дойде тук и да се опита да гледа този експеримент?

Виж. Ето лазерна показалка, светим я - и какво става тук? Ние нямаме рентгенови лъчи, а оптичен лазер. И това не е структурата на кристала, а неговото изображение, надуто 10 хиляди пъти: но дължината на вълната на лазера също е 10 хиляди пъти дължината на вълната на рентгеновото лъчение и по този начин отново е изпълнено условието за дифракция - сравнимостта на дължината на вълната с периода на кристалната решетка. Нека да разгледаме обект, в който няма правилна структура, течност. Ето, Олег, дръж тази снимка и аз ще блесна с лазер, приближи се, картината ще бъде малка, защото не можем да проектираме ... вижте, тук виждате пръстен, вътре има точка, която характеризира директния проход на лъча. Но пръстенът е дифракция от неорганизираната структура на течността. Ако имаме кристал пред нас, тогава картината ще бъде съвсем различна. Виждате ли, имаме много лъчи, които се отклоняват под строго определени ъгли.

Олег (доброволец):Вероятно защото повече атоми...

Артьом Оганов:Не, поради факта, че атомите са разположени по строго определен начин, можем да наблюдаваме такава дифракционна картина. Тази картина е много симетрична и това е важно. Нека аплодираме Олег за брилянтен експеримент, който щеше да му спечели Нобелова награда преди 100 години.

След това, на следващата година, бащата и синът на Браги се научиха да дешифрират дифракционни снимки, да определят кристални структури от тях. Първите структури бяха много прости, но сега, благодарение на най-новите методологии, за които беше присъдена Нобеловата награда през 1985 г., е възможно да се дешифрират вече много, много сложни структури въз основа на експеримент. Ето експеримента, който Олег и аз възпроизведем. Ето първоначалната структура, ето молекулите на бензола и Олег наблюдава такава дифракционна картина. Сега, с помощта на експеримент, е възможно да се дешифрират много сложни структури, по-специално структурите на квазикристалите, а за откриването на квазикристалите, това ново състояние на твърдата материя, миналата година беше дадена Нобеловата награда по химия. Колко динамична е тази област, какви фундаментални открития се правят в нашия век! Структурата на протеините и други биологично активни молекули също се дешифрира с помощта на рентгенова дифракция, този страхотен кристалографски метод.

И така, ние познаваме различни състояния на материята: подредено кристално и квазикристално, аморфно (неподредено твърдо състояние), както и течно, газообразно състояние и различни полимерни състояния на материята. Познавайки структурата на дадено вещество, можете да предскажете много, много от неговите свойства и с висока степен на надеждност. Ето структурата на магнезиевия силикат, вид перовскит. Познавайки приблизителните позиции на атомите, можете да предвидите например такова доста трудно свойство като еластичните константи - това свойство се описва с тензор от ранг 4 с много компоненти и можете да предскажете това сложно свойство с експериментална точност, като знаете само позиция на атомите. И това вещество е доста важно, съставлява 40% от обема на нашата планета. Това е най-разпространеният материал на Земята. И сега можете да разберете свойствата на това вещество, което съществува на големи дълбочини, като знаете само подреждането на атомите.

Бих искал да говоря малко за това как свойствата са свързани със структурата, как да се предвиди структурата на веществото, за да се предскажат нови материали и какво е направено с помощта на този вид методи. Защо ледът е по-лек от водата? Всички знаем, че айсбергите плуват и не потъват; знаем, че ледът винаги е на повърхността на реката, а не на дъното. Какъв е проблема? Става дума за структурата: ако погледнете тази структура от лед, ще видите големи шестоъгълни празнини в нея и когато ледът започне да се топи, водните молекули запушват тези шестоъгълни кухини, поради което плътността на водата става повече от плътността на леда. И можем да демонстрираме как протича този процес. Ще ви покажа кратък филм, гледайте го внимателно. Топенето ще започне от повърхности, което всъщност се случва, но това е компютърно изчисление. И ще видите как топенето се разпространява навътре...молекулите се движат и виждате, че тези шестоъгълни канали се запушват и коректността на структурата се губи.

Ледът има няколко различни форми, а формата на леда е много интересна, която се получава чрез запълване на празнините на ледената структура с гостуващи молекули. Но самата структура също ще се промени. Говоря за така наречените газови хидрати или клатрати. Виждате рамка от водни молекули, в която има празнини, в които присъстват гостуващи молекули или атоми. Молекулите на гостите могат да бъдат метан - природен газ, може би въглероден диоксид, може би, например, атом на ксенон, и всеки от тези газови хидрати има интересна история. Факт е, че запасите от метан хидрат съдържат 2 порядъка повече природен газ от традиционните газови находища. Отлаганията от този тип по правило се намират на морския шелф и в зоните на вечна замръзване. Проблемът е, че хората все още не са се научили как безопасно и рентабилно да извличат газ от тях. Ако този проблем бъде решен, тогава човечеството ще може да забрави за енергийната криза, ще имаме почти неизчерпаем източник на енергия за следващите векове. Хидратът на въглероден диоксид е много интересен - може да се използва като безопасен начин за заравяне на излишния въглероден диоксид. Изпомпвате въглероден диоксид под лек натиск в леда и го изсипвате на морското дъно. Този лед съществува там съвсем спокойно в продължение на много хиляди години. Ксеноновият хидрат послужи като обяснение за ксенонова анестезия, хипотеза, изтъкната преди 60 години от великия кристалохимик Линус Полинг: факт е, че ако на човек се остави да диша с ксенон под лек натиск, човек престава да чувства болка . Беше и изглежда понякога се използва сега за анестезия при хирургични процедури. Защо?

Ксенонът под ниско налягане образува съединения с водни молекули, образувайки самите газови хидрати, които блокират разпространението на електрически сигнал през човешката нервна система. И сигналът за болка от оперираната тъкан просто не достига до мускулите, поради факта, че ксенон хидратът се образува точно с такава структура. Това беше първата хипотеза, може би истината е малко по-сложна, но няма съмнение, че истината е близо. Когато говорим за такива порести вещества, не може да не се припомни микропорьозни силикати, така наречените зеолити, които се използват много широко в индустрията за катализа, както и за разделяне на молекули при крекинг на масло. Например, октановите и мезооктановите молекули са перфектно разделени от зеолити: това е същата химическа формула, но структурата на молекулите е малко по-различна: едната от тях е дълга и тънка, другата е къса и дебела. И този, който е тънък, преминава през кухините на структурата, а този, който е дебел, се елиминира и затова такива структури, такива вещества се наричат ​​молекулярни сита. Тези молекулярни сита се използват за пречистване на водата, по-специално водата, която пием в нашите кранове, тя трябва да премине през многократна филтрация, включително чрез използване на зеолити. По този начин можете да се отървете от замърсяването с голямо разнообразие от химически замърсители. Химическите замърсители понякога са изключително опасни. Историята знае примери как отравянето с тежки метали доведе до много тъжни исторически примери.

Очевидно жертвите на отравяне с живак са били първият първи император на Китай - Цин Ши Хуанг Ти и Иван Грозни, а така наречената болест на лудия шапкар е много добре проучена, през 18-19 век в Англия цял клас от хората, работещи в индустрията за шапки, се разболяват много рано от неврологично заболяване, наречено болест на лудия шапкар. Речта им стана непоследователна, действията им безсмислени, крайниците им трепереха неудържимо и те изпаднаха в деменция и лудост. Тялото им е постоянно в контакт с живак, тъй като накисват тези шапки в разтвори на живачни соли, които влизат в телата им и засягат нервната система. Иван Грозни беше много прогресивен, добър цар под 30 години, след това се промени за една нощ - и стана луд тиранин. Когато тялото му беше ексхумирано, се оказа, че костите му са силно деформирани и съдържат огромна концентрация на живак. Факт е, че царят страда от тежка форма на артрит и по това време артритът се лекува чрез втриване с живачни мехлеми - това е единственото лекарство и може би живакът обяснява странната лудост на Иван Грозни. Цин Ши Хуанг Ти, човекът, създал Китай в днешния му вид, управлява 36 години, а първите 12 години е марионетка в ръцете на майка си, регентката, историята му е подобна на тази на Хамлет. Майка му и нейният любовник убиха баща му, а след това се опитаха да се отърват и от него, ужасна история. Но след като узрял, той започна да управлява сам - и за 12 години той спря междуособната война между 7-те китайски кралства, която продължи 400 години, обедини Китай, комбинира мерки за тегло, пари, единна китайска писменост, той построи Великата китайска стена, той построи 6, 5 хиляди километра магистрали, които все още се използват, канали, които все още се използват, и всичко това беше направено от един човек, но през последните години той страда от някаква странна форма на маниакална лудост. Неговите алхимици, за да го направят безсмъртен, му дадоха живачни хапчета, вярваха, че това ще го направи безсмъртен, в резултат на това този човек, очевидно отличаващ се със забележително здраве, почина преди да навърши 50 години и последните години на този кратък живот беше замъглен от лудост. Отравянето с олово може да е направило жертви на много римски императори: в Рим е имало оловна водоснабдителна система, акведукт и е известно, че при отравяне с олово някои части на мозъка се свиват, дори можете да го видите на томографски снимки, интелигентността пада, IQ пада, човек става много агресивен ... Отравянето с олово все още е голям проблем в много градове и страни. За да се отървем от този вид нежелани ефекти, трябва да разработим нови материали за почистване на околната среда.

Интересни материали, които не са напълно обяснени, са свръхпроводниците. Свръхпроводимостта също е открита преди 100 години. Това явление в много отношения е екзотично, открито е по случаен начин. Те просто охлаждат живака в течен хелий, измерват електрическото съпротивление, оказва се, че то пада точно до нула, а по-късно се оказва, че свръхпроводниците напълно изтласкват магнитното поле и са в състояние да левитират в магнитното поле. Тези две характеристики на свръхпроводниците се използват широко във високотехнологични приложения. Видът на свръхпроводимостта, открит преди 100 години, беше обяснен, отне половин век, за да се обясни, това обяснение донесе Нобеловата награда на Джон Бардийн и неговите колеги. Но тогава през 80-те години, вече в нашия век, беше открит нов вид свръхпроводимост и най-добрите свръхпроводници принадлежат към този клас - високотемпературни свръхпроводници на основата на мед. Интересна особеност е, че такава свръхпроводимост все още няма обяснение. Свръхпроводниците имат много приложения. Например с помощта на свръхпроводници се създават най-мощните магнитни полета и това се използва в магнитно-резонансната томография. Левитиращите влакове с магнитно зависене са друго приложение, а ето и снимка, която лично направих в Шанхай на такъв влак - можете да видите индикатора за скорост при 431 километра в час. Свръхпроводниците понякога са много екзотични: органичните свръхпроводници са познати от повече от 30 години, тоест свръхпроводниците на основата на въглерод, оказва се, дори диамантът може да се превърне в свръхпроводник чрез въвеждане на малко количество борни атоми в него. Графитът може да се направи и свръхпроводник.

Ето и интересен исторически паралел за това как свойствата на материалите или тяхното незнание могат да имат фатални последици. Две истории, които са много красиви, но очевидно са исторически погрешни, но все пак ще ги разкажа, защото красивата история понякога е по-добра от истинската история. В научно-популярната литература всъщност често можете да намерите препратки за това как ефектът от калаената чума – а ето и нейната проба – унищожава експедициите на Наполеон в Русия и капитан Скот до Южния полюс. Факт е, че при температура от 13 градуса по Целзий калайът претърпява преход от метал (това е бял калай) към сив калай, полупроводник, докато плътността рязко пада - и калайът се разпада. Това се нарича „калаена чума“ – калайът просто се разпада на прах. И ето една история, за която не видях пълно обяснение. Наполеон идва в Русия с армия от 620 хиляди, дава само няколко относително малки битки - и само 150 хиляди души достигат до Бородино. Идва 620, до Бородино почти без бой идват 150 хиляди. Под Бородино имаше още около 40 хиляди жертви, след това отстъплението от Москва - и 5 хиляди оцеляха до Париж. Между другото, отстъплението също беше почти без бой. Какво става? Как да плъзнете от 620 хиляди до 5 хиляди без битка? Има историци, които твърдят, че калаената чума е виновна за всичко: копчетата на униформите на войниците са били от калай, калайът се е разпаднал веднага щом настъпи студеното време, а войниците са били на практика голи в руския студ . Проблемът е, че копчетата са направени от мръсен калай, който е устойчив на калай.

Много често можете да видите в популярната научна преса споменаване на факта, че капитан Скот, според различни версии, е носил със себе си самолети, в които резервоарите за гориво имали калаени спойки, или консервирана храна в тенекии - калайът отново се разпаднал , а експедицията умря от глад и студ. Всъщност четох дневниците на капитан Скот - той не спомена никакви самолети, имаше някакви моторни шейни, но пак не пише за резервоара за гориво, не пише и за консерви. Така че тези хипотези изглеждат грешни, но много интересни и поучителни. А припомнянето за ефекта на калаената чума във всеки случай е полезно, ако отивате в студен климат.

Ето още един опит, а тук ми трябва вряща вода. Друг ефект, свързан с материалите и тяхната структура, който не би хрумнал на никой човек, е ефектът на паметта на формата, също открит съвсем случайно. На тази илюстрация можете да видите, че моите колеги направиха две букви от този проводник: TU, Технически университет, те втвърдиха тази форма при високи температури. Ако дадена форма е втвърдена при висока температура, материалът ще запомни тази форма. Можете да направите сърце, например, да го дадете на любимия си и да кажете: това сърце ще помни моите чувства завинаги ... тогава тази форма може да бъде унищожена, но веднага щом го поставите в гореща вода, формата се възстановява, изглежда като магия. Току-що счупихте тази форма, но я сложихте в гореща вода - формата се възстановява. И всичко това се случва поради много интересна и доста фина структурна трансформация, която се случва в този материал при температура от 60 градуса по Целзий, поради което в нашия експеримент е необходима гореща вода. И същата трансформация се случва в стоманата, но в стоманата се случва твърде бавно - и споменът за ефекта на формата не възниква. Представете си, ако стоманата също показваше такъв ефект, щяхме да живеем в съвсем различен свят. Ефектът на паметта на формата намира много приложения: зъбни брекети, сърдечни шънтове, части на двигатели в самолети за намаляване на шума, сцепления в газо- и нефтопроводи. Сега имам нужда от друг доброволец... моля, как се казваш? Вика? Ще ни трябва помощта на Вики с този проводник, това е проводник с памет на формата. Същата сплав от нитинол, сплав от никел и титан. Тази тел беше темперирана под формата на права тел и той ще запомни тази форма завинаги. Вика, вземете парче от тази тел и го завъртете по всякакъв възможен начин, направете го възможно най-непряко, просто не завързвайте възлите: възелът няма да се разплете. А сега го потопете във вряща вода и жицата ще запомни тази форма ... добре, как се изправи? Този ефект може да се наблюдава вечно, сигурно съм го виждал хиляди пъти, но всеки път като дете гледам и се възхищавам какъв красив ефект. Нека аплодираме Вика. Би било чудесно, ако можем да се научим да предвиждаме такива материали на компютър.

А ето и оптичните свойства на материалите, които също са напълно нетривиални. Оказва се, че много материали, почти всички кристали, разделят лъч светлина на два лъча, които се движат в различни посоки и с различна скорост. В резултат на това, ако погледнете през кристал някакъв надпис, тогава надписът винаги ще бъде леко удвоен. Но, като правило, той е неразличим за нашите очи. При някои кристали този ефект е толкова силен, че всъщност можете да видите два надписа.

Въпрос от публиката:Казахте - на различни скорости?

Артем Оганов:Да, скоростта на светлината е постоянна само във вакуум. В кондензирана среда е по-ниска. Освен това сме свикнали да мислим, че всеки материал има определен цвят. Рубинът е червен, сапфирът е син, но се оказва, че цветът може да зависи и от посоката. Като цяло една от основните характеристики на кристала е анизотропията - зависимостта на свойствата от посоката. Имотите в тази посока и в тази посока се различават. Тук е минералът кордиерит, в който цветът се променя в различни посоки от кафяво-жълт до син, той е един и същ кристал. Някой вярва ли ми? Специално донесох кристал от кордиерит, така че моля... вижте какъв цвят?

Въпрос от публиката:Изглежда бяло, но така...

Артем Оганов:От някаква светлина, като бяло, до лилаво, вие просто въртите кристала. Всъщност има исландска легенда за това как викингите са открили Америка. И много историци виждат тази легенда като индикация за използването на този ефект. Когато викингите се изгубиха в средата на Атлантическия океан, техният крал извади някакъв слънчев камък и в здрача успя да определи посоката на запад и така те отплаваха към Америка. Никой не знае какво е слънчев камък, но много историци смятат, че слънчев камък е това, което Вика държи в ръцете си, кордиеритът, между другото, кордиеритът се намира край бреговете на Норвегия и с помощта на този кристал наистина можете да се ориентирате в здрач, при вечерна светлина, както и в полярните ширини. И този ефект е използван от ВВС на САЩ до 50-те години, когато е заменен от по-модерни методи. И ето още един интересен ефект - александрит, ако някой има желание, донесох кристал от синтетичен александрит и цветът му се променя в зависимост от източника на светлина: дневна и електрическа. И накрая, още един интересен ефект, който учените и изкуствоведите не можеха да разберат в продължение на много векове. Купата на Ликург е предмет, изработен от римски занаятчии преди повече от 2 хиляди години. При разсеяна светлина тази купа е зелена, а при пропусната светлина е червена. И успях да разбера това само преди няколко години. Оказа се, че купата не е от чисто стъкло, а съдържа златни наночастици, които създават този ефект. Сега разбираме природата на цвета - цветът е свързан с определени диапазони на абсорбция, с електронната структура на материята, а това от своя страна е свързано с атомната структура на материята.

Въпрос от публиката:Могат ли да се обяснят понятията "отразено" и "преминаване"?

Артем Оганов:Мога! Между другото, отбелязвам, че именно тези спектри на абсорбция определят защо кордиеритът има различен цвят в различни посоки. Факт е, че самата структура на кристала - по-специално кордиерита - изглежда различно в различни посоки и светлината в тези посоки се абсорбира по различни начини.

Какво е бяла светлина? Това е целият спектър от червено до виолетово и когато светлината преминава през кристала, част от този диапазон се абсорбира. Например кристалът може да абсорбира синьото и какъв ще бъде резултатът, можете да видите от тази таблица. Ако поглъщате сини лъчи, тогава изходът ще бъде оранжев, тоест, когато видите нещо оранжево, вие знаете, че това вещество поглъща в синия диапазон. Разсеяна светлина е, когато имате същата купа на Ликург на масата, светлината пада и част от тази светлина се разсейва и попада в очите ви. Разсейването на светлината се подчинява на напълно различни закони и по-специално зависи от зърнистостта на обекта. Поради дифузията на светлината небето е синьо. Има закон за разсейването на Релей, който може да обясни тези цветове.

Показах ви как свойствата се свързват със структура. И как можете да предвидите кристалната структура, ще разгледаме накратко сега. Това означава, че проблемът с прогнозирането на кристалните структури се смяташе за нерешим до съвсем скоро. Самият проблем е формулиран по следния начин: как да се намери подреждането на атомите, което дава максимална стабилност - тоест най-малко енергия? Как да го направя? Можете, разбира се, да изброите всички варианти за подреждане на атомите в пространството, но се оказва, че има толкова много такива опции, че няма да имате достатъчно живот, за да ги изброите, всъщност дори за доста прости системи, да речем , с 20 атома, ще ви трябва повече от времевия живот на Вселената, за да подредите всички тези възможни комбинации на компютъра. Затова се смяташе, че тази задача е нерешима. Въпреки това успяхме да решим този проблем, освен това с няколко метода, а най-ефективният метод, въпреки че може да звучи нескромно, беше разработен от моята група. Методът се нарича "Успех", "USPEX", еволюционен метод, еволюционен алгоритъм, чиято същност ще се опитам да ви обясня сега. Задачата е еквивалентна на намиране на глобалния максимум върху някаква многоизмерна повърхност - за простота, помислете за двуизмерна повърхност, повърхността на Земята, където трябва да намерите най-високата планина, без да имате карти. Нека го кажем така, както го изрази моят австралийски колега Ричард Клег - той е австралиец, обича кенгурута и в неговата формулировка с помощта на кенгура, достатъчно неинтелигентни животни, трябва да определите най-високата точка на повърхността на Земята. Кенгуруто разбира само прости инструкции - качете се, слезте. В еволюционния алгоритъм хвърляме произволно кацане на кенгурута в различни части на планетата и даваме на всеки от тях инструкция: изкачете се до върха на най-близкия хълм. И си отиват. Когато тези кенгура стигнат например до Спароу Хилс и когато стигнат до Елбрус, може и да е, а тези от тях, които не са стигнали високо, биват елиминирани и стреляни обратно. Идва ловец, почти каза художник, ловец идва и стреля, а тези, които са оцелели, получават право да се размножават. И благодарение на това е възможно да се изберат най-обещаващите области от цялото пространство за търсене. И стъпка по стъпка, като стреляте по-високи и по-високи кенгуру, вие ще преместите популацията на кенгуру до глобалния максимум. Кенгурата ще произвеждат все по-успешно потомство, ловците ще стрелят все повече и повече високо катерещи се кенгура и по този начин тази популация може просто да бъде изгонена до Еверест.

И това е същността на еволюционните методи. За простота пропускам техническите подробности за това как точно е реализирано това. И ето още една двуизмерна реализация на този метод, тук е повърхността на енергиите, трябва да намерим най-синята точка, ето нашите начални, произволни, структури - това са удебелите точки. Изчислението веднага разбира кои са лоши, тук - в червените и жълтите зони, кои от тях са най-обещаващи: в сините, зеленикави зони. И стъпка по стъпка плътността на тестване на най-обещаващите области нараства, докато намерим най-подходящата, най-стабилната структура. Има различни методи за прогнозиране на структури – методи на произволно търсене, изкуствено отгряване и т.н., но най-мощният се оказа този еволюционен.

Най-трудното е как да произведем потомство от родителите на компютър. Как да вземем две родителски структури и да ги превърнем в дете? Всъщност на компютър можете да правите деца не само от двама родители, ние експериментирахме, ние от трима, а от четирима се опитахме да го направим. Но, както се оказва, това не води до нищо добро, както в живота. Детето е по-добре да има двама родители. Между другото, един родител също работи, двама родители са оптимални, а трима-четирима вече не работят. Еволюционният метод има няколко интересни характеристики, които, между другото, го правят сходен с биологичната еволюция. Виждаме как високо организирани, силно подредени решения възникват от неадаптираните, произволни структури, от които започваме изчисленията. Виждаме, че изчисленията са най-ефективни, когато популацията от структури е най-разнообразна. Най-стабилните и най-оцелели популации са популации с разнообразие. Например това, което харесвам в Русия, е, че в Русия има повече от 150 народа. Има светлокоси, има тъмнокоси, има всякакви хора от кавказка националност като мен и всичко това дава стабилност и бъдеще на руското население. Монотонните популации нямат бъдеще. Това може да се види от изчисленията на ефективността много ясно.

Можем ли да предвидим, че графитът е стабилната форма на въглерод при атмосферно налягане? да. Това изчисление е много бързо. Но освен графит, ние произвеждаме няколко интересни малко по-малко стабилни решения в същото изчисление. И тези решения също могат да бъдат интересни. Ако увеличим налягането, графитът вече е нестабилен. Един диамант е стабилен и ние го намираме много лесно. Вижте как изчислението бързо произвежда диамант от неуредени първоначални структури. Но преди да бъде намерен диамант, се произвеждат редица интересни структури. Например тази структура. Докато диамантът има шестоъгълни пръстени, тук се виждат 5- и 7-странните пръстени. Тази структура е само малко по-ниска по стабилност на диаманта и отначало си помислихме, че е любопитство, а след това се оказа, че това е нова, наистина съществуваща форма на въглерод, която наскоро беше установена от нас и нашите колеги. Това изчисление е направено при 1 милион атмосфери. Ако увеличим налягането до 20 милиона атмосфери, диамантът ще престане да бъде стабилен. И вместо диамант, ще бъде стабилна много странна структура, чиято стабилност за въглерод при такива налягания се предполага от много десетилетия и нашето изчисление потвърждава това.

Много е направено както от нас, така и от нашите колеги, използвайки този метод, ето малка селекция от различни открития. Нека ви кажа само няколко от тях.

Използвайки този метод, можете да замените лабораторното откриване на материали с компютърно. В лабораторното откриване на материали Едисон беше ненадминат шампион, който каза: „Не съм претърпял 10 хиляди неуспехи, открих само 10 хиляди начина, които не работят. Това ви казва колко опита са необходими, неуспешни опити да направите, преди да направите истинско откритие по този метод, и с помощта на компютърния дизайн можете да постигнете успех в 1 опит от 1, в 100 от 100, в 10 хиляди от 10 хиляди, това е нашата цел е да заменим метода на Едисон с нещо много по-продуктивно.

Вече можем да оптимизираме не само енергията, но и всеки имот. Най-простото свойство е плътността, а диамантът е най-плътният материал, познат досега. Алмаз като цяло е рекордьор в много отношения. Един кубичен сантиметър диамант съдържа повече атоми, отколкото кубичен сантиметър от всяко друго вещество. Диамантът държи рекорда за твърдост и е също така най-малко свиваемото вещество. Могат ли тези рекорди да бъдат счупени? Сега можем да зададем този въпрос на компютъра и компютърът ще даде отговора. И отговорът е да, някои от тези рекорди могат да бъдат счупени. Оказа се, че плътността на диаманта е достатъчно лесна за победа, има по-плътни форми на въглерод, които имат право да съществуват, но все още не са синтезирани. Тези форми на въглерод превъзхождат диаманта не само по плътност, но и по оптични свойства. Те ще имат по-високи показатели на пречупване и светлинна дисперсия - какво означава това? Коефициентът на пречупване на диаманта придава на диаманта неговия ненадминат блясък и вътрешно отражение на светлината - а дисперсията на светлината означава, че бялата светлина ще се раздели на червен до виолетов спектър дори повече от един диамант. Между другото, тук е материалът, който често замества диаманта в бижутерската индустрия - кубичен цирконий, кубичен цирконий. Той превъзхожда диаманта по светлинна дисперсия, но, за съжаление, отстъпва на диаманта по блясък. И новите форми на въглерод ще победят диаманта и в двете точки. Какво ще кажете за твърдостта? До 2003 г. се смяташе, че твърдостта е свойство, което хората никога няма да се научат да предвиждат и изчисляват, през 2003 г. всичко се промени с работата на китайски учени, а това лято посетих университета Яншан в Китай, където получих още една почетна професорска степен, и там посетих основателя на цялата тази теория. Успяхме да развием тази теория.

Ето таблица, която показва как изчислените определения на твърдостта се съгласуват с експеримента. За повечето нормални вещества съгласието е отлично, но за графита моделите прогнозираха, че трябва да е свръхтвърд, което очевидно е неправилно. Успяхме да разберем и поправим тази грешка. И сега, използвайки този модел, ние надеждно прогнозираме твърдостта за всяко вещество и можем да зададем на компютъра следния въпрос: кое вещество е най-твърдо? Може ли диаманта да бъде надминат по твърдост? Хората всъщност са мислили за това в продължение на много, много десетилетия. И така, коя е най-твърдата структура за въглерода? Отговорът беше обезкуражаващ: диамантът и нищо по-твърдо във въглерода не може да бъде. Но можете да намерите структури от въглерод, които ще бъдат близки по твърдост до диаманта. Въглеродните структури, които са близки до диаманта по твърдост, наистина имат право да съществуват. И един от тях е този, който ви показах по-рано, с 5- и 7-членни канали. Дубровински през 2001 г., в литературата беше предложено ултра-твърдо вещество, титанов диоксид; смяташе се, че по твърдост не е много по-нисък от диаманта, но имаше съмнения. Експериментът беше достатъчно противоречив. Почти всички експериментални измервания от тази работа рано или късно бяха опровергани: беше много трудно да се измери твърдостта поради малкия размер на пробите. Но изчислението показа, че твърдостта също е погрешно измерена в този експеримент, а реалната твърдост на титановия диоксид е около 3 пъти по-малка от това, което твърдят експериментаторите. Така че с помощта на този вид изчисления може дори да се прецени кой експеримент е надежден и кой не, толкова тези изчисления вече са достигнали висока точност.

Има и друга история, свързана с въглерода, която бих искал да ви разкажа – беше особено насилствена през последните 6 години. Но това започна преди 50 години, когато американски изследователи проведоха такъв експеримент: взеха графит и го компресираха до налягане от около 150-200 хиляди атмосфери. Ако графитът се компресира при високи температури, той трябва да се трансформира в диамант, най-стабилната форма на въглерод при високо налягане - така се синтезира диамантът. Ако направите този експеримент при стайна температура, тогава диамантът не може да се образува. Защо? Тъй като пренареждането на структурата, което е необходимо за превръщането на графита в диамант, е твърде голямо, тези структури са твърде различни и енергийната бариера, която трябва да бъде преодоляна, е твърде голяма. И вместо образуване на диамант, ще наблюдаваме образуването на някаква друга структура, не най-стабилната, а тази с най-ниска бариера за образуване. Ние предложихме такава структура - и я нарекохме М-въглерод, това е същата структура с 5- и 7-членни пръстени; моите арменски приятели го наричат ​​на шега "Муглерод-Шмуглерод". Оказа се, че тази структура напълно описва резултатите от този 50-годишен експеримент и експериментът е повторен много пъти. Изживяването, между другото, е много красиво - чрез компресиране на графит (черен, мек непрозрачен полуметал) при стайна температура, под налягане, изследователите получиха прозрачен свръхтвърд неметал: абсолютно фантастична трансформация! Но това не е диамант, неговите свойства не са в съответствие с диаманта и нашата хипотетична структура тогава напълно описва свойствата на това вещество. Бяхме ужасно щастливи, написахме статия и я публикувахме в престижното списание Physical Review Letters и почивахме на лаврите си точно една година. Година по-късно американски и японски учени откриха нова структура, напълно различна от нея, тази, с 4- и 8-членни пръстени. Тази структура е напълно различна от нашата, но описва почти толкова добре експерименталните данни. Проблемът е, че експерименталните данни бяха с ниска разделителна способност и много други структури бяха подходящи за тях. Минаха още шест месеца, китаец на име Уанг предложи W-въглерод, а W-въглеродът също обясни експерименталните данни. Скоро историята стана гротескна - нови китайски групи се присъединиха към нея и китайците обичат да произвеждат, и те щамповат около 40 структури и всички отговарят на експерименталните данни: P-, Q-, R-, S-carbon, Q-carbon , X -, Y-, Z-въглерод, M10-въглерод е известен, X'-въглерод и така нататък - азбуката вече липсва. И така, кой е прав? Най-общо казано, нашият M-carbon първоначално имаше точно същото количество претенции да бъде прав като всички останали.

Отговор от публиката:Всички са прави.

Артем Оганов:Това също не се случва! Факт е, че природата винаги избира екстремни решения. Не само хората са екстремисти, но и природата е екстремистка. При високи температури природата избира най-стабилното състояние, тъй като при високи температури можете да преминете през всяка енергийна бариера, а при ниски температури природата избира най-малката бариера и може да има само един победител. Може да има само един шампион - но кой точно? Можете да направите експеримент с висока разделителна способност, но хората се опитваха в продължение на 50 години и никой не успя, всички резултати бяха с лошо качество. Можете да направите изчисление. И при изчислението може да се разгледат бариерите за активиране пред образуването на всички тези 40 структури. Но първо, китайците все още създават нови и нови структури и колкото и да се опитвате, пак ще има някои китайци, които ще кажат: но аз имам още една структура и вие ще ги броите до края на вашата живот.активационни бариери, докато не бъдете изпратени на заслужена почивка. Това е първата трудност. Втората трудност е, че е много, много трудно да се преброят бариерите за активиране в твърдотелни трансформации, това е изключително нетривиална задача, необходими са специални методи и мощни компютри. Факт е, че тези трансформации не се извършват в целия кристал, а първо в малък фрагмент - ембриона, а след това се разпространява в ембриона и по-нататък. А моделирането на този ембрион е изключително трудна задача. Но ние открихме такъв метод, метод, който беше разработен по-рано от австрийски и американски учени, и го адаптирахме към нашата задача. Успяхме да модифицираме този метод, така че с един удар да решим този проблем веднъж завинаги. Поставяме проблема по следния начин: ако започнете с графит, първоначалното състояние е строго определено, а крайното състояние е дадено неясно - всяка тетраедрична, sp3-хибридизирана форма на въглерод (и това са състоянията, които очакваме под налягане), което на бариерите ще бъде минимум? Този метод е в състояние да брои бариерите и да намери минималната бариера, но ако зададем крайното състояние като ансамбъл от различни структури, тогава можем да решим проблема напълно. Започнахме изчислението с пътя на трансформацията графит - диамант като "семка", знаем, че тази трансформация не се наблюдава в експеримента, но ни беше интересно какво ще направи изчислението с тази трансформация. Изчакахме малко (всъщност това изчисление отне шест месеца на суперкомпютър) - и вместо диамант, изчислението ни даде М-въглерод.

Като цяло трябва да кажа, че съм изключително щастлив човек, имах 1/40 шанса за печалба, защото имаше около 40 структури, които имаха равни шансове за печалба, но отново извадих лотарийния билет. Нашият M-carbon спечели, ние публикувахме резултатите си в престижното ново списание Scientific Reports - новото списание на групата Nature, и месец след като публикувахме нашите теоретични резултати, същото списание публикува резултатите от експеримент с висока разделителна способност, за получава за първи път от 50 години. Изследователи от Йейлския университет направиха експеримент с висока разделителна способност и тестваха всички тези структури и се оказа, че само М-въглеродът отговаря на всички експериментални данни. И сега в списъка на формите на въглерода има друг експериментално и теоретично установен алотроп на въглерода, М-въглерод.

Ще спомена още една алхимична трансформация. Под натиск се очаква всички вещества да се превърнат в метал, рано или късно всяко вещество ще стане метал. И какво ще стане с веществото, което вече е метал от самото начало? Например натрий. Натрият изобщо не е просто метал, а невероятен метал, описан от модела на свободните електрони, тоест той е граничният случай на добър метал. Какво се случва, ако се изцеди натрий? Оказва се, че натрият вече няма да бъде добър метал - отначало натрият ще се превърне в едномерен метал, тоест електричеството ще провежда само в една посока. При по-високо налягане прогнозирахме, че натрият ще загуби напълно металността си и ще се превърне в червеникав прозрачен диелектрик, а ако налягането се увеличи още повече, ще стане безцветен, като стъкло. И така – взимаш сребрист метал, стискаш го – отначало се превръща в лош метал, черен като въглища, стискаш по-нататък – превръща се в червеникав прозрачен кристал, който прилича на рубин, а след това става бял като стъкло. Ние го предвидихме и списанието Nature, където го изпратихме, отказа да го публикува. Редакторът върна текста в рамките на няколко дни и каза: не вярваме, твърде екзотично е. Намерихме експериментатор Михаил Еремц, който беше готов да тества тази прогноза и ето резултата. При 110 гигапаскала, това е 1,1 милиона атмосфери, той все още е сребрист метал; при 1,5 милиона атмосфери това е въглищночерен, лош метал. При 2 милиона атмосфери той е прозрачен, червеникав неметал. И вече с този експеримент публикувахме резултатите си много лесно. Това, между другото, е доста екзотично състояние на материята, тъй като електроните вече не се размазват в пространството (както в металите) и не са локализирани върху атоми или връзки (както в йонни и ковалентни вещества) - валентни електрони, което осигурява металност до натрий, са уловени в празно пространство, където няма атоми, и са много силно локализирани. Такова вещество може да се нарече електрод, т.е. сол, където ролята на отрицателно заредените йони, аниони, се играе не от атоми (да речем, флуор, хлор, кислород), а от снопове с електронна плътност, а нашата натриева форма е най-простият и поразителен пример за известен електрод.

Можете да използвате този вид изчисления, за да разберете същността на вътрешността на Земята и планетата. За състоянието на земните недра научаваме основно от косвени данни, от сеизмологични данни. Знаем, че има метално, главно желязо, ядро ​​на Земята и неметална обвивка, състояща се от магнезиеви силикати, наречена мантия, а на самата повърхност има тънка земна кора, върху която живеем и която знаем много добре. А вътрешността на Земята е почти напълно непозната за нас. Чрез директно тестване можем да изследваме само самата повърхност на Земята. Най-дълбокият кладенец е Кола супердълбочина, дълбочината му е 12,3 километра, пробита в СССР, никой не можеше да пробие по-нататък. Американците се опитаха да пробият, фалираха по този проект и го спряха. Те инвестираха огромни суми в СССР, пробиха до 12 километра, след това се случи перестройка и проектът беше замразен. Но радиусът на Земята е 500 пъти по-голям и дори свръхдълбокият сондаж на Кола пробива само самата повърхност на планетата. Но субстанцията на дълбините на Земята определя лицето на Земята: земетресения, вулканизъм, континентален дрейф. В ядрото на Земята се образува магнитно поле, което никога няма да достигнем. Конвекцията на разтопеното външно ядро ​​на Земята е отговорна за образуването на магнитното поле на Земята. Между другото, вътрешното ядро ​​на Земята е твърдо, а външното е разтопено, то е като шоколадови бонбони с разтопен шоколад, а вътре е орех – така можете да си представите ядрото на Земята. Конвекцията на твърдата мантия на Земята е много бавна, скоростта й е от порядъка на 1 сантиметър годишно; по-горещите течения се повишават, по-студените се спускат надолу и това е конвективното движение на земната мантия и е отговорно за континенталния дрейф, вулканизъм, земетресения.

Важен въпрос е каква е температурата в центъра на Земята? Знаем налягането от сеизмологичните модели, но тези модели не дават температура. Температурата се определя по следния начин: знаем, че вътрешното ядро ​​е твърдо, външното ядро ​​е течно и че ядрото е направено от желязо. По този начин, ако знаете точката на топене на желязото на тази дълбочина, тогава знаете температурата на ядрото на тази дълбочина. Бяха направени експерименти, но те дадоха несигурност от 2 хиляди градуса и бяха направени изчисления и изчисленията сложиха край на този въпрос. Температурата на топене на желязото на границата на вътрешното и външното ядро ​​беше около 6,4 хиляди градуса по Келвин. Но когато геофизиците научиха за този резултат, се оказа, че тази температура е твърде висока, за да се възпроизведат правилно характеристиките на магнитното поле на Земята - тази температура е твърде висока. И тогава физиците си спомниха, че всъщност ядрото не е чисто желязо, а съдържа различни примеси. Все още не знаем точно кои, но сред кандидатите са кислород, силиций, сяра, въглерод, водород. Чрез вариране на различни примеси, сравняване на техните ефекти, беше възможно да се разбере, че температурата на топене трябва да се понижи с около 800 градуса. 5600 градуса по Келвин е такава температура на границата на вътрешното и външното ядро ​​на Земята и тази оценка в момента е общоприета. Този ефект на понижаване на температурата на примесите, евтектично понижаване на точката на топене е добре известен, благодарение на този ефект нашите обувки страдат през зимата - пътищата се поръсват със сол, за да се намали точката на топене на снега, и благодарение на този твърд сняг ледът се превръща в течно състояние и нашите обувки страдат от тази солена вода.

Но може би най-мощният пример за същото явление е сплавта на Ууд - сплав, която се състои от четири метала, има бисмут, олово, калай и кадмий, всеки от тези метали има относително висока точка на топене, но ефектът от взаимното понижаване на точката на топене работи толкова много, че сплавта на Ууд се топи във вряща вода. Кой иска да направи това преживяване? Между другото, купих тази проба от сплавта на Ууд в Ереван на черния пазар, което вероятно ще придаде допълнителен вкус на това преживяване.

Налейте вряла вода, докато държа сплавта на Ууд, и ще видите капките от сплавта на Ууд да падат в чашата.

Капки падат - стига. Топи се при температура на гореща вода.

И този ефект възниква в ядрото на Земята, поради което температурата на топене на желязната сплав намалява. Но сега следващият въпрос е: от какво се състои ядрото? Знаем, че има много желязо и има леки примесни елементи, имаме 5 кандидата. Започнахме с най-малко вероятните кандидати - въглерод и водород. Трябва да кажа, че доскоро малко хора обръщаха внимание на тези кандидати, и двете се смятаха за малко вероятни. Решихме да го проверим. Със служител на Московския държавен университет Зулфия Бажанова решихме да се заемем с този бизнес, да предвидим стабилни структури и стабилни състави на железни карбиди и хидриди в условията на земното ядро. Направихме това и за силиция, където не открихме никакви специални изненади - а за въглерода се оказа, че онези съединения, които се смятаха за стабилни в продължение на много десетилетия, всъщност са нестабилни при натиска на земното ядро. И се оказва, че въглеродът е много добър кандидат, всъщност само въглеродът може идеално да обясни много от свойствата на вътрешното ядро ​​на Земята, противно на предишната работа. Водородът се оказа доста лош кандидат, водородът сам по себе си не може да обясни нито едно свойство на земното ядро. Водородът може да присъства в малки количества, но не може да бъде основният примесен елемент в земното ядро. За водородните хидриди под налягане открихме изненада – оказа се, че има стабилно съединение с формула, която противоречи на училищната химия. Нормален химик с формулата за водородни хидриди ще напише като FeH 2 и FeH 3, най-общо казано, FeH възниква под налягане и те се примиряват с това - но фактът, че FeH 4 може да се появи под налягане, беше истинска изненада. Ако нашите деца в училище напишат формулата FeH 4, гарантирам, че ще получат лоша оценка по химия, най-вероятно дори в четвъртината. Но се оказва, че под натиск се нарушават правилата на химията - и се появяват такива екзотични съединения. Но, както казах, малко вероятно е железните хидриди да са важни за вътрешността на Земята, малко вероятно е водородът да присъства там в значителни количества, но най-вероятно е налице въглерод.

И накрая, последната илюстрация, за мантията на Земята, или по-скоро за границата между ядрото и мантията, така наречения "D" слой, който има много странни свойства. Едно от свойствата е анизотропията на разпространение на сеизмични вълни, звукови вълни: във вертикална посока и в хоризонтална посока скоростите се различават значително. Защо това е така? Дълго време не беше възможно да се разбере. Оказва се, че в слоя на границата между ядрото и мантията на Земята се образува нова структура от магнезиев силикат. Успяхме да разберем това преди 8 години. В същото време ние и нашите японски колеги публикувахме 2 статии в Science and Nature, които доказаха съществуването на тази нова структура. Веднага се вижда, че тази структура изглежда напълно различно в различни посоки и свойствата й трябва да се различават в различни посоки - включително еластичните свойства, които са отговорни за разпространението на звуковите вълни. С помощта на тази структура беше възможно да се обяснят всички онези физически аномалии, които бяха открити и причиниха проблеми в продължение на много, много години. Те дори успяха да направят няколко прогнози.

По-специално, на по-малки планети като Меркурий и Марс няма да има слой като D. Няма да има достатъчно натиск, за да стабилизира тази структура. Също така беше възможно да се направи прогноза, че с охлаждането на Земята този слой трябва да расте, тъй като стабилността на постперовскита се увеличава с понижаване на температурата. Възможно е, когато се е образувала Земята, този слой изобщо да не е съществувал, а се е родил в ранната фаза на развитието на нашата планета. И сега всичко това може да се разбере благодарение на прогнозите за нови структури на кристални вещества.

Отговор от публиката:Благодарение на генетичен алгоритъм.

Артем Оганов:Да, въпреки че тази последна история за постперовскита предшества изобретяването на този еволюционен метод. Между другото, тя ме подтикна да измисля този метод.

Отговор от публиката:Така че 100 години от този генетичен алгоритъм просто не го направиха.

Артем Оганов:Този алгоритъм е създаден от мен и моя аспирант през 2006 г. Между другото, грешно е да го наричаме "генетичен"; по-правилното име е "еволюция". Еволюционните алгоритми се появяват през 70-те години и са намерили приложение в много области на технологиите и науката. Например коли, кораби и самолети - те са оптимизирани с помощта на еволюционни алгоритми. Но за всяка нова задача еволюционният алгоритъм е напълно различен. Еволюционните алгоритми не са един метод, а огромна група от методи, цяла огромна област от приложна математика и за всеки нов тип проблем трябва да се измисли нов подход.

Отговор от публиката:Каква математика? Генетиката е.

Артем Оганов:Това не е генетика - това е математика. И за всяка нова задача трябва да измисляте своя нов алгоритъм от нулата. И хората всъщност са се опитвали преди нас да измислят еволюционни алгоритми и да ги адаптират, за да предскажат кристални структури. Но те приемаха алгоритмите от други области твърде буквално - и това не работи, така че трябваше да създадем нов метод от нулата и той се оказа много мощен. Въпреки че областта на еволюционните алгоритми съществува толкова дълго, колкото и аз поне от 1975 г., бяха необходими много усилия, за да се предвидят кристални структури, за да се създаде работен метод.

Всички тези примери, които ви дадох, показват как разбирането на структурата на материята и способността да се предскаже структурата на материята водят до проектирането на нови материали, които могат да имат интересни оптични свойства, механични свойства, електронни свойства. Материали, които изграждат недрата на Земята и други планети. В този случай можете да решите цял набор от интересни проблеми на компютър, като използвате тези методи. Огромен принос за развитието на този метод и неговото приложение направиха моите колеги и повече от 1000 потребители на нашия метод в различни части на света. Всички тези хора и организатори на тази лекция, и вие - за вашето внимание - позволете ми искрено да ви благодаря.

Дискусия на лекцията

Борис Долгин:Благодаря много! Много благодаря, Артьом, много благодаря на организаторите, които ни дадоха платформа за тази версия на публични лекции, много благодаря на RVC, който ни подкрепи в тази инициатива, сигурен съм, че изследванията на Артьом ще продължат, които означава, че ще се появи нов материал за лекцията му при нас, тук, защото трябва да кажа, че част от чутото днес всъщност не е съществувало по време на предишните лекции, така че има смисъл.

Въпрос от публиката:Моля, кажете ми как да осигуря стайна температура при такова високо налягане? Всяка система на пластична деформация е придружена от отделяне на топлина. За съжаление не споменахте това.

Артем Оганов:Въпросът е, че всичко зависи от това колко бързо компресирате. Ако компресията се извършва много бързо, например при ударни вълни, тогава тя непременно е придружена от нагряване, рязката компресия непременно води до повишаване на температурите. Ако го компресирате бавно, тогава има достатъчно време пробата да обмени топлина с околната среда и да влезе в топлинно равновесие с околната среда.

Въпрос от публиката:И вашата инсталация позволи ли да направите това?

Артем Оганов:Експериментът не беше проведен от мен, аз направих само изчисления и теория. Не се допускам до експеримента поради вътрешна цензура. И експериментът е проведен в камери с диамантени наковални, където проба е притисната между два малки диаманта. При такива експерименти пробата има толкова много време да стигне до топлинно равновесие, че въпросът не възниква тук.

1. 1. Компютърно проектиране на нови материали: мечта или реалност? Артем Оганов (ARO) (1) Катедра по геонауки (2) Катедра по физика и астрономия (3) Нюйоркски център за изчислителни науки Държавен университет в Ню Йорк, Стоуни Брук, NY 11794-2100 (4) Московски държавен университет, Москва, 119992, Русия.
2. 2. Структурата на материята: атоми, молекули Древните са предполагали, че материята се състои от частици: „когато той (Бог) не е създал нито земята, нито полетата, нито първоначалните прахови частици на вселената” (Притчи 8:26) (също - Епикур, Лукреций Кар, древни индианци, ...) През 1611 г. И. Кеплер предполага, че структурата на ледената форма на снежинките се определя от тяхната атомна структура
3. 3. Структурата на материята: атоми, молекули, кристали 1669 г. - раждането на кристалографията: Николай Стенон формулира първия количествен закон на кристалографията „Кристалографията... е непродуктивна, съществува само за себе си, няма последствия... не е наистина необходим навсякъде, той се развива вътре в теб. Тя дава на ума известно ограничено удовлетворение, а детайлите му са толкова разнообразни, че може да се нарече неизчерпаем; ето защо тя ласо дори най-добрите хора толкова упорито и толкова дълго "(IV Гьоте, любител кристалограф, 1749-1832) Лудвиг Болцман (1844-1906) - великият австрийски физик, изградил всичките си теории върху понятията за атоми. Критиката на атомизма го кара да се самоубие през 1906 г. През 1912 г. хипотезата за атомната структура на материята е доказана от експериментите на Макс фон Лауе.
4. 4. Структура – ​​основа за разбиране на свойствата и поведението на материалите (от http://nobelprize.org) Цинкова смес ZnS. Една от първите структури, решени от Брагс През 1913 г. Изненада: в структурата НЯМА ZnS молекули!
5. 5. Рентгеновата дифракция е основният метод за експериментално определяне на кристалната структура Структура Дифракционна картина
6. 6. Връзка между структурата и дифракционната картина Какви ще бъдат дифракционните модели на тези "структури"?
7. 7. Триумфи на експеримента - определяне на невероятно сложни кристални структури Неподходящи фази Квазикристали на елементи Протеини (Rb-IV, U.Schwarz'99) Ново състояние на материята, открито през 1982 г. Открито в природата едва през 2009 г.! Нобелова награда за 2011 г.!
8. 8. Състояния на материята Crystalline Quasicrystalline Amorphous Liquid Gaseous („Мека материя“ – полимери, течни кристали)
9. 9. Атомната структура е най-важната характеристика на веществото. Познавайки го, човек може да предвиди свойствата на материала и неговата електронна структура. C11 493 482 C22 546 537 C33 470 485 C12 142 144 C13 146 147 C23 160 146 C44 212 204 C55 186 186 Еластични константи на 6 O6 на 41 MgSi
10. 10. Няколко истории 4. Материали от земните недра 3. Материали от компютъра 2. Възможно ли е да се предвиди кристален1. За връзката между структура, структура и свойства
11. 11. Защо ледът е по-лек от водата Структурата на леда съдържа големи празни канали, които не присъстват в течната вода. Поради тези празни канали ледът е по-лек от леда.
12. 12. Газови хидрати (клатрати) - лед, пълен с гостуващи молекули (метан, въглероден диоксид, хлор, ксенон и др.) Брой публикации за клатрати Огромни находища на метанов хидрат - надеждата и спасението на енергийния сектор? При ниско налягане метанът и въглеродният диоксид образуват клатрати - 1 литър клатрат съдържа 168 литра газ! Метан хидратът изглежда като лед, но изгаря с отделянето на вода. CO2 хидрат - форма на съхранение на въглероден диоксид? Механизмът на ксенонова анестезия е образуването на He-хидрат, който блокира предаването на нервни сигнали към мозъка (Pauling, 1951)
13. 13. Микропрести материали за химическата промишленост и почистване на околната среда Зеолитите са микропорести алумосиликати. индустрия Исторически примери за отравяне с тежки метали: Цин Ши Хуанди Иван IV Грозни "Болест на Нерон (37-68) Олово (259 - 210 пр.н.е.) (1530-1584) лудо отравяне: шапкар" агресия, деменция
14. 14. Нови и стари свръхпроводници Феноменът е открит през 1911 г. от Камерлинг-Онес Теорията на свръхпроводимостта е от 1957 г. (Bardeen, Cooper, Schrieffer), но няма теория за най-високотемпературните свръхпроводници (Bednorz, Muller, 1986)! Най-мощните магнити (ЯМР, мас спектрометри, ускорители на частици) Влакове с магнитна левитация (430 км/ч)
15. 15. Изненада: свръхпроводящи примесни форми на въглерод 1.14 1 Tc  exp [] kB g (E F) V Легиран графит: KC8 (Tc = 0.125 K), CaC6 (Tc = 11 K). B-легиран диамант: Tc = 4 K. Легирани фулерени: RbCs2C60 (Tc = 33 K) Молекула на молекулата Структура и външен вид на кристали фулерен C60 фулерит Свръхпроводимостта в органичните кристали е известна от 1979 г. (Bechgaard, 1979).
16. 16. Как материалите могат да спасяват или унищожават При ниски температури калайът претърпява фазов преход – „калаена чума“. 1812 г. - според легендата експедицията на Наполеон в Русия загива заради тенекиените копчета на униформите им! 1912 г. - смъртта на експедицията на капитан Р.Ф. Скот до Южния полюс, който беше приписан на „калаената чума“. Преход от първи ред при 13 0C Бял калай: 7,37 g / cm3 Сив калай: 5,77 g / cm3
17. 17. Сплави с памет на формата 1 2 3 4 1- преди деформация 3- след нагряване (20°C) (50°C) 2- след деформация 4- след охлаждане (20°C) (20°C) Пример: NiTi ( нитинол ) Приложения: Шънтове, зъбни брекети, елементи на нефтопроводи и самолетни двигатели
18. 18. Чудеса на оптичните свойства Плеохроизъм (кордиерит) - откритието на Америка и навигация на ВВС на САЩ Двупречупване на светлината (калцит) Александритен ефект (хризоберил) Купа на Ликург (стъкло с наночастици)
19. 19. За естеството на цвета Дължина на вълната, Å Цвят Допълнителен цвят 4100 Виолетов Лимонено жълт 4300 Индиго Жълт 4800 Син Оранжев 5000 Синьо-зелен Червен 5300 Зелен Лилав 5600 Лимонено жълт Виолетов 5800 Жълт Индиго 6100 Оранжев Червен Син 680
20. 20. Цветът зависи от посоката (плеохроизъм). Пример: кордиерит (Mg, Fe) 2Al4Si5O18.
21. 21. 2. Прогнозиране на кристални структури Оганов А.Р., Ляхов А.О., Вале М. (2011). Как работи прогнозирането на еволюционната кристална структура - и защо. Съгл. Chem. Рез. 44, 227-237.
22. 22. J. Maddox (Nature, 1988) Задачата е да се намери ГЛОБАЛНИЯ минимум на Natoms of Variants Energy Time. 1 1 1 сек. Невъзможно е да се повторят всички структури: 10 1011 103 г. 20 1025 1017 г. 30 1039 1031 г. Преглед на метода USPEX (ARO & Glass, J. Chem. Phys. 2006)
23. 23. Как да намерим връх Еверест с помощта на еволюцията на кенгуру? (снимка от R. Clegg) Приземяваме кацане на кенгурута и ги оставяме да се размножават (не е показано поради цензурни причини) .....
24. 24. Как да намерим връх Еверест с помощта на еволюцията на кенгуру? (снимка от Р. Клег) Аааа! Аууу.... и от време на време идват ловци и махат кенгурата на по-малка надморска височина
25. 25.
26. 26. Еволюционните изчисления се „самообучават“ и фокусират търсенето върху най-интересните области на космоса
27. 27. Еволюционните изчисления се „самообучават“ и фокусират търсенето върху най-интересните области на космоса
28. 28. Еволюционните изчисления се „самообучават“ и фокусират търсенето върху най-интересните области на космоса
29. 29. Еволюционните изчисления се "самообучават" и фокусират търсенето върху най-интересните области на космоса
30. 30. Алтернативни методи: произволно търсене (Freeman & Catlow, 1992; van Eijck & Kroon, 2000; Pickard & Needs, 2006) Без "обучение", работи само за прости системи (до 10-12 атома) Изкуствено отгряване (Pannetier). 1990; Schön & Jansen 1996) Без „обучаваща“ метадинамика (Martonak, Laio, Parrinello 2003) Търсене на табу в намалено пространство Минимум скачане (Gödecker 2004) Използва история на изчисленията и „самообучение“. Генетични и еволюционни алгоритми Bush (1995), Woodley (1999) - неефективен метод за кристали. Deaven & Ho (1995) е ефективен метод за наночастици.
31. 31. USPEX (Универсален структурен предиктор: еволюционна ксталография) (Случайна) начална популация Ново поколение структури се произвежда само от най-добрите настоящи структури (1) Наследственост (3) Координатна (2) Мутация на решетката (4) Пермутация
32. 32. Допълнителни техники - параметърът на реда "Пръстов отпечатък" на структурата Раждане на реда от хаоса в еволюционния процес ["GOD = Generator Of Diversity" © S. Avetisyan] Локален ред - показва дефектни области
33. 33. Тест: „Кой би предположил, че графитът е стабилният алотроп на въглерода при обикновено налягане?“ (Maddox, 1988) Триизмерна sp2 структура, предложена от R. Hoffmann (1983) като стабилна фаза при 1 атм. Структури с ниско sp3- енергийна хибридизация илюстрира sp2 хибридизация въглеродна химия sp хибридизация (карбин)
34. Тест: Фазите с високо налягане също се възпроизвеждат правилно 100 GPa: диамантът е стабилен 2000 GPa: фазата bc8 е стабилна + е установено, че метастабилната фаза bc8 на силициевия „супертвърд графит” е известна (Kasper, 1964) (Li, ARO, Ма и др., PRL 2009)
35. 35. Открития, направени с USPEX:
36. 36. 3. Материали от компютъра
37. 37. Откриване на нови материали: все още експериментален метод на проба и грешка "Не съм претърпял (десет хиляди) неуспехи, но открих само 10 000 неработещи метода" (T.A. Edison)
38. 38. Търсене на най-плътното вещество: възможни ли са въглеродните модификации по-плътни от диаманта? Да Структура на диаманта Диамантът има най-малкия атомен обем и най-голямата несвиваемост сред всички нови структури, елементи (и съединения). по-плътен от диамант! (Zhu, ARO, et al., 2011)
39. 39. Аналогията между формите на въглерод и силициев диоксид (SiO2) ни позволява да разберем плътността на новите форми на въглерод. Нови структури, 1,1-3,2% по-плътни от диаманта, много високи (до 2,8!) Коефициенти на пречупване и диамант с дисперсия на светлина hP3 структура tP12 структура tI12 структура SiO2 кристобалит SiO2 кварц SiO2 китит високо налягане SiS2 фаза
40. 40.
41. 41. Най-твърдият оксид - TiO2? (Dubrovinsky et al., Nature 410, 653-654 (2001)) Nishio-Hamane (2010) и Al-Khatatbeh (2009): Модул на компресия ~ 300 GPa, а не 431 GPa. Ляхов & ARO (2011): Експериментите с налягане са много трудни! Твърдост не по-висока от 16 GPa! TiO2 е по-мек от SiO2 на стишовит (33 GPa), B6O (45 GPa), Al2O3 на корунд (21 GPa).
42. 42. Възможни ли са въглеродните форми по-твърди от диаманта? Не . Материален модел Li Lyakhov Exp. Твърдост, енталпия и др. & Aro структура GPA EV / ATOM (2009) (2011) Diamond 89.7 0.000 Diamond 91.2 89.7 90 Lonsdaleite 89.1 0.026 Graphite 57.4 0.17 0.14 C2 / m 84.3 0.163 TiO2 Rutile 12.4 12.3 8-10 I4 / mmm 84.0 0.198 р-Si3N4 23.4 23.4 21 Cmcm 83.5 0.282SiO2 стишовит 31.8 30.8 33 P2 / m 83.4 0.166 I212121 82.9 0.784 Fmmm 82.2 0.322 Cmcm 82.0 0.222 Cmcm 82.0 0.222 Cmcm 82.0 0.21 33 P2 / m 83.4 0.166 I212121 82.9 0.784 Fmmm 82.2 0.322 Cmcm 82.0 0.222 Изчисленията на Cmcm 82.0 0.221 са базирани на най-твърдата структура на E hysp.
43. 43. Студената компресия на графита дава М-въглерод, а не диамант! М-въглеродът беше предложен през 2006 г. През 2010-2012г. Предложени са десетки алтернативни структури (W-, R-, S-, Q-, X-, Y-, Z-въглерод и др.) M-въглеродът се потвърждава от последните експерименти M-въглеродът се образува най-лесно от графит графит bct4-въглероден графит M -въглероден графит диамант
44. 44. M-carbon - нова форма на въглерод диамант-графит lonsdaleite Теоретична фазова диаграма на въглеродни M-въглеродни фулерени карабини
45. 45. Вещество под налягане в природата P.W. Бриджман 1946 Нобелов лауреат (физика) 200x Мащаб: 100 GPa = 1 Mbar =
46. Нептун има вътрешен източник на топлина - но откъде идва CH4? Уран и Нептун: H2O: CH4: NH3 = 59: 33: 8. Нептун има вътрешен енергиен източник (Хъбард'99). Ross'81 (и Benedetti'99): CH4 = C (диамант) + 2H2. Падащият диамант - основният източник на топлина на Нептун? Теорията (Ancilotto'97; Gao '2010) потвърждава това. метан въглеводороди диамант
47. 47. Борът се намира между метали и неметали и неговите уникални структури са чувствителни към B примеси, температура и налягане alpha-B beta-B T-192
48. 48. Историята на откриването и изследването на бор е пълна с противоречия и детективски обрати. B 1808: J.L. Gay-Lussac и H. Davy обявяват откриването на нов елемент – бор.J.L. Гей-Люсак Х. Дейви 1895: Х. Моасан доказа, че откритите от тях вещества съдържат не повече от 50-60% бор. Материалът на Moissan обаче също се оказа съединение със съдържание на бор под 90%. H. Moissan 1858: F. Wöhler описва 3 модификации на бора - "диамант", "графит" и "въглеродоподобен". И трите се оказаха съединения (например AlB12 и B48C2Al). 2007: Публикувани са ~ 16 кристални модификации (повечето от тях съединения ли са?). Не е известно коя форма е най-стабилна. Ф. Вьолер
49. 49. Борът образува частично йонна структура под налягане! B 2004: Чен и Соложенко: синтезираха нова модификация на бора, но не можаха да решат нейната структура. 2006: Оганов: дефинира структурата, доказа нейната стабилност. 2008: Соложенко, Куракевич, Оганов - тази фаза е едно от най-твърдите известни вещества (твърдост 50 GPa). Рентгенова дифракция. Отгоре - теория, Отдолу - експеримент Структура на гама-бор: (B2) δ + (B12) δ-, δ = + 0,5 (ARO et al., Nature 2009) Разпределение на най- (ляво) и най-малко (вдясно) стабилно електрони.
50. 50. Първата фазова диаграма на бора - след 200 години изследвания! B Фазова диаграма на бор (ARO et al., Nature 2009)
51. 51. Натрият е метал, перфектно описан от модела на свободния електрон
52. 52. Под налягане натрият променя същността си - "алхимична трансформация" Na 1807: Натрият е открит от Хъмфри Дейви. 2002: Hanfland, Syassen, et al. - първата индикация за изключително трудна химия H. Дейви натрий под налягане над 1 Mbar. Gregoriants (2008) – по-подробни данни. Под налягане натрият се превръща частично в d-метал!
53. 53. Предсказахме нова структура, която е прозрачен неметал! Натрият става прозрачен при налягане от ~ 2 Mbar (Ma, Eremets, ARO et al., Nature 2009) Електроните се локализират в „празното пространство“ на структурата, което прави компресирания натрий неметал
54. Изучаването на минерали е не само естетическо удоволствие, но и практически и фундаментално важно научно направление Ефект от понижаване на точката на топене на примесите Дървесна сплав - топи се при 70 C. Bi-Pb-Sn-Cd-In-Tl сплав - при 41,5 ° С!
55. 64. А какъв е съставът на вътрешното ядро ​​на Земята? Ядрото е малко по-малко плътно от чистото желязо. В Fe ядрото в сплав с леки елементи като S, Si, O, C, H. Нови съединения (FeH4!) се предвиждат в системите Fe-C и Fe-H. Въглеродът може да се съдържа в сърцевината в големи количества [Бажанова, Оганов, Джанола, UFN 2012]. Процентът въглерод във вътрешното ядро, необходим за обяснение на неговата плътност
56. 65. Природата на D "слоя (2700-2890 km) дълго време остава загадка. D" е коренът на горещите мантийни потоци. Очаква се MgSiO3 да бъде ~ 75 об.% Странността на D "слоя: сеизмична разкъсване, анизотропия Припомнете си анизотропията на цвета на кордиерита!
57. 66. Отговорът е съществуването на нов минерал, MgSiO3 постперовскит в слой D "(2700-2890 km) Фазова диаграма D" разкъсване на MgSiO3 Обяснява съществуването на слой D ", позволява да се изчисли неговата температура. перовскит като Земята охлажда D „отсъства на Меркурий и Марс Ново семейство минерали, предсказано Потвърждение - Tschauner (2008)
58. 67. Структурата на материята е ключът към разбирането на света 4. Разбирането за вътрешността на планетата се задълбочава 3. Компютърът се научава да предсказва нови материали 2. Вече е възможно да се предскажат кристални структури1. Структурата определя свойствата
59. 68. Благодарности: Моите студенти, докторанти и докторанти: А. Ляхов Ю. Ма С.Е. Boulfelfel C.W. Glass Q. Zhu Y. Xie Колеги от други лаборатории: F. Zhang (Пърт, Австралия) C. Gatti (U. Milano, Италия) G. Gao (Jilin University, Китай) A. Bergara (U. Basque Country, Испания) I. Errea (Страна на баските, Испания) M. Martinez-Canales (UCL, UK) C. Hu (Guilin, Китай) M. Salvado & P. ​​Pertierra (Oviedo, Испания) VL Соложенко (Париж) Д.Ю. Пущаровски, В.В. Бражкин (Москва) Потребители на програмата USPEX (> 1000 души) - http://han.ess.sunysb.edu/~USPEX

Същността на търсенето на най-стабилната структура се свежда до изчисляване на състоянието на материята, която има най-ниска енергия. Енергията в този случай зависи от електромагнитното взаимодействие на ядрата и електроните на атомите, които изграждат изследвания кристал. Може да се изчисли с помощта на квантовомеханични изчисления въз основа на опростеното уравнение на Шрьодингер. Така алгоритъмът USPEX използва теория на функционалността на плътността, който се развива през втората половина на миналия век. Основната му цел е да опрости изчисленията на електронната структура на молекулите и кристалите. Теорията позволява да се замени многоелектронната вълнова функция с електронна плътност, като същевременно остава формално точна (но всъщност приближенията се оказват неизбежни). На практика това води до намаляване на сложността на изчисленията и, като следствие, на времето, което ще бъде изразходвано за тях. Така квантовомеханичните изчисления се комбинират с еволюционния алгоритъм в USPEX (фиг. 2). Как работи еволюционният алгоритъм?

Търсенето на структури с най-ниска енергия може да бъде изброено: произволно подредете атомите един спрямо друг и анализирайте всяко такова състояние. Но тъй като броят на опциите е огромен (дори ако има само 10 атома, възможностите за тяхното местоположение един спрямо друг ще бъдат около 100 милиарда), изчислението ще отнеме твърде дълго. Затова учените успяха да постигнат успех само след като разработиха по-хитър метод. Алгоритъмът USPEX се основава на еволюционен подход (Фигура 2). Първо, произволно се генерират малък брой структури и се изчислява тяхната енергия. Системата премахва вариантите с най-висока енергия, тоест най-малко стабилните, и генерира подобни от най-стабилните и вече ги изчислява. Едновременно с това компютърът продължава да генерира на случаен принцип нови структури, за да поддържа разнообразието на населението, което е основно условие за успешна еволюция.

Така логиката, взета от биологията, помогна за решаването на проблема с предсказването на кристалните структури. Трудно е да се каже, че тази система съдържа ген, тъй като новите структури могат да се различават от своите предшественици по много различни параметри. Най-приспособените към условията на подбор "индивиди" оставят потомство, тоест алгоритъмът, учейки се от грешките си, увеличава максимално шансовете за успех при следващия опит. Системата бързо намира опцията с най-ниска енергия и ефективно изчислява ситуацията, когато структурната единица (клетката) съдържа десетки и дори първите стотици атоми, докато предишните алгоритми не можеха да се справят с десет.

Едно от новите предизвикателства пред USPEX в Московския физико-технологичен институт е да се предвиди третичната структура на протеините от тяхната аминокиселинна последователност. Този проблем на съвременната молекулярна биология е един от ключовите. Като цяло задачата пред учените е много трудна и защото е трудно да се изчисли енергията за такава сложна молекула като протеина. Според Артем Оганов алгоритъмът му вече успява да предскаже структурата на пептидите с дължина около 40 аминокиселини.

Видео 2. Полимери и биополимери.Какви вещества са полимери? Каква е структурата на полимера? Колко често се използват полимерни материали? За това говори професор, д-р по кристалография Артем Оганов.

Обяснение на USPEX

В една от научнопопулярните си статии Артем Оганов (фиг. 3) описва USPEX по следния начин:

„Ето един ярък пример за демонстриране на общата идея. Представете си, че трябва да намерите най-високата планина на повърхността на непозната планета, върху която цари пълен мрак. За да пестим ресурси, е важно да разберем, че не се нуждаем от пълна релефна карта, а само от най-високата й точка.

Фигура 3. Артем Ромаевич Оганов

Приземявате малка атака от биороботи на планетата, изпращайки ги един по един на произволни места. Инструкцията, която всеки робот трябва да следва, е да върви по повърхността срещу силите на гравитационното привличане и в крайна сметка да достигне върха на най-близкия хълм, чиито координати трябва да съобщи на орбиталната база. Нямаме средства за голям изследователски контингент, а вероятността някой от роботите веднага да се изкачи на най-високата планина е изключително малка. Това означава, че е необходимо да се приложи добре познатият принцип на руската военна наука: „борете се не по брой, а по умение“, който тук се прилага под формата на еволюционен подход. Носещи най-близкия съсед, роботите се срещат и възпроизвеждат себеподобни, като ги поставят по линията между „своите“ върхове. Потомството на биороботите продължава да изпълнява същите инструкции: те се движат в посока на котата на релефа, изследвайки областта между двата върха на своите „родители“. Тези „индивиди“, които са открили върхове под средното ниво, се припомнят (така се извършва подбора) и отново се изхвърлят на случаен принцип (така се моделира поддържането на „генетичното разнообразие“ на популацията).“

Как да преценим грешката, с която работи USPEX? Можете да вземете задача с известен верен отговор и самостоятелно да го решите 100 пъти с помощта на алгоритъм. Ако се получи правилният отговор в 99 случая, тогава вероятността от грешка в изчислението ще бъде 1%. Обикновено правилните прогнози се получават с вероятност от 98–99%, когато броят на атомите в единична клетка е 40.

Еволюционният алгоритъм на USPEX доведе до много интересни открития и дори до разработването на нова дозирана форма на лекарство, което ще бъде разгледано по-долу. Чудя се какво ще стане, когато се появят суперкомпютри от ново поколение? Ще се промени ли фундаментално алгоритъмът за прогнозиране на кристалната структура? Например, някои учени разработват квантови компютри. В бъдеще те ще бъдат много по-ефективни от най-модерните съвременни. Според Артем Оганов еволюционните алгоритми ще запазят водещата си позиция, но ще започнат да работят по-бързо.

Области на лабораторна работа: от термоелектрика до лекарства

USPEX се оказа алгоритъм не само ефективен, но и многофункционален. В момента под ръководството на Артьом Оганов се извършват много научни разработки в различни направления. Някои от най-новите проекти са опити за моделиране на нови термоелектрични материали и прогнозиране на структурата на протеините.

„Имаме няколко проекта, един от тях е изследването на нискоразмерни материали като наночастици, материални повърхности, Друго е изследването на химикали под високо налягане. Има и интересен проект, свързан с прогнозиране на нови термоелектрични материали. Вече знаем, че адаптирането на метода за прогнозиране на кристални структури, който сме измислили, към проблемите на термоелектричеството работи ефективно. В момента вече сме готови за голям скок напред, чийто резултат трябва да бъде откриването на нови термоелектрични материали. Вече е ясно, че методът, който създадохме за термоелектрика, е много мощен, извършените тестове са успешни. И ние сме напълно готови да търсим подходящи нови материали. Ние също така се занимаваме с прогнозиране и изследване на нови високотемпературни свръхпроводници. Задаваме въпроса за прогнозиране на структурата на протеините. Това е нова задача за нас и много интересна."

Интересното е, че USPEX вече се е възползвал дори от медицината: „Нещо повече, ние разработваме нови лекарства. По-специално, ние предвидихме, получихме и патентовахме ново лекарство,- казва А.Р. Оганов. - Това е 4-аминопиридин хидрат, лекарство за множествена склероза.".

Става дума за наскоро патентовано лекарство от служители на лабораторията за компютърно проектиране на материали Валери Ройзен (фиг. 4), Анастасия Наумова и Артем Оганов, което позволява симптоматично лечение на множествена склероза. Патентът е отворен, което ще помогне за намаляване на цената на лекарството. Множествената склероза е хронично автоимунно заболяване, тоест една от онези патологии, когато собствената имунна система на гостоприемника уврежда гостоприемника. В този случай се уврежда миелиновата обвивка на нервните влакна, която обикновено изпълнява електроизолираща функция. Той е много важен за нормалното функциониране на невроните: токът през израстъците на нервните клетки, покрити с миелин, се извършва 5-10 пъти по-бързо, отколкото през непокритите. Следователно множествената склероза води до нарушения във функционирането на нервната система.

Основните причини за множествена склероза остават неясни. Много лаборатории по света се опитват да ги разберат. В Русия това се прави от лабораторията по биокатализа към Института по биоорганична химия.

Фигура 4. Валери Ройзен - един от авторите на патента за лекарство за множествена склероза,служител на лабораторията по компютърно проектиране на материали, разработване на нови лекарствени форми и активно популяризиране на науката.

Видео 3. Научно-популярна лекция на Валери Ройсен "Вкусни кристали".Ще научите за принципите на действие на лекарствата, за значението на формата на доставяне на лекарството в човешкото тяло и за злия брат близнак на аспирина.

Преди това 4-аминопиридинът вече се използваше в клиниката, но учените успяха чрез промяна на химическия състав да подобрят усвояването на това лекарство в кръвта. Получават кристален 4-аминопиридин хидрат (фиг. 5) със стехиометрия 1:5. В тази форма са патентовани самото лекарство и методът на неговото приготвяне. Веществото подобрява освобождаването на невротрансмитери в нервно-мускулните синапси, което улеснява пациентите с множествена склероза. Струва си да се отбележи, че този механизъм включва лечението на симптомите, но не и на самата болест. В допълнение към бионаличността, основният момент в новата разработка е следният: тъй като беше възможно 4-аминопиридинът да се „огради“ в кристал, той стана по-удобен за използване в медицината. Кристалните вещества са относително лесни за получаване в пречистена и хомогенна форма, а свободата на лекарството от потенциално вредни примеси е един от ключовите критерии за добро лекарство.

Откриване на нови химични структури

Както бе споменато по-горе, USPEX ви позволява да намерите нови химически структури. Оказва се, че дори "обичайният" въглерод има свои собствени мистерии. Въглеродът е много интересен химичен елемент, защото образува огромен набор от структури, от свръхтвърди диелектрици до меки полупроводници и дори свръхпроводници. Първите включват диамант и лонсдейлит, вторите - графит, а третите - някои фулерени при ниски температури. Въпреки голямото разнообразие от известни форми на въглерод, учените под ръководството на Артем Оганов успяха да открият фундаментално нова структура: досега не беше известно, че въглеродът може да образува комплекси гост-домакин (фиг. 6). В работата участваха, между другото, и служителите на лабораторията по компютърно проектиране на материали (фиг. 7).

Фигура 7. Олег Фея, аспирант в Московския физико-технически институт, служител на лабораторията по компютърно проектиране на материали и един от авторите на откриването на нова структура на въглерода. В свободното си време Олег се занимава с популяризиране на науката: неговите статии могат да бъдат прочетени в публикациите "Котката на Шрьодингер", "За науката", STRF.ru, "Страна Росатом". Освен това Олег е победител в Москва Научен шлеми участник в телевизионното предаване "Най-умният".

Взаимодействието "гост-гостоприемник" се проявява например в комплекси, състоящи се от молекули, които са свързани помежду си чрез нековалентни връзки. Тоест, определен атом/молекула заема определено място в кристалната решетка, но в същото време не образува ковалентна връзка с околните съединения. Това поведение е широко разпространено сред биологичните молекули, които се свързват една с друга, образувайки силни и големи комплекси, които изпълняват различни функции в нашето тяло. Като цяло това се отнася до съединение, състоящо се от два вида структурни елементи. За вещества, образувани само от въглерод, такива форми не са били известни. Учените публикуваха своето откритие през 2014 г., разширявайки познанията ни за свойствата и поведението на 14-та група химични елементи като цяло (фиг. 8) Заслужава да се отбележи, че в отворената форма на въглерода се образуват ковалентни връзки между атомите. Говорим за типа гост-домакин поради наличието на ясно дефинирани два вида въглеродни атоми, които имат напълно различна структурна среда.

Нова химия под високо налягане

Компютърна лаборатория за проектиране на материали изследва кои вещества са стабилни при високо налягане. Ето как ръководителят на лабораторията аргументира интереса към подобни изследвания: „Ние изучаваме материали под високо налягане, по-специално новата химия, която се появява при тези условия. Това е много необичайна химия, която не се вписва в правилата на традиционната. Натрупаните знания за новите съединения ще доведат до разбиране на това, което се случва вътре в планетите. Защото тези необичайни химикали могат да се окажат много важни материали във вътрешността на планетата."Трудно е да се предвиди как ще се държат веществата под високо налягане: повечето химически правила спират да действат, защото тези условия са много различни от това, с което сме свикнали. Въпреки това е необходимо да разберем това, ако искаме да знаем как работи Вселената. Лъвският дял от барионната материя на Вселената е под високо налягане вътре в планети, звезди, спътници. Изненадващо, много малко се знае за неговата химия.

Нова химия, която се прилага под високо налягане в лабораторията за компютърно проектиране на материали в МФТИ, се изучава от доктор (степен, подобна на доктор) Габриеле Салех:

„Аз съм химик и се интересувам от химия при високо налягане. Защо? Защото имаме правилата на химията, които са формулирани преди 100 години, но наскоро се оказа, че те спират да работят при високо налягане. И това е много интересно! Прилича на увеселителен парк: има феномен, който никой не може да обясни; изследването на ново явление и опитът да се разбере защо се случва е много интересно. Започнахме разговора си с фундаментални неща. Но високото налягане съществува и в реалния свят. Разбира се, не в тази стая, а вътре в Земята и на други планети " .

Тъй като съм химик, се интересувам от химия при високо налягане. Защо? Защото имаме химически правила, които са установени преди сто години, но наскоро беше открито, че тези правила се нарушават при високо налягане. И е много интересно! Това е като лунопарк, защото имате феномен, който никой не може да рационализира. Интересно е да се изследва ново явление и да се опита да разбере защо се случва. Започнахме от фундаменталната гледна точка. Но тези високи налягания съществуват. Разбира се, не в тази стая, а във вътрешността на Земята и на други планети.

Фигура 9. Въглеродна киселина (H 2 CO 3) - структура, стабилна под налягане. Във вложката по-горее показано, че заедно C особразуват се полимерни структури. Изучаването на системата въглерод-кислород-водород при високо налягане е много важно за разбирането как работят планетите. H 2 O (вода) и CH 4 (метан) са основните съставки на някои планети-гиганти, като Нептун и Уран, където налягането може да достигне стотици GPa. Големите ледени спътници (Ганимед, Калисто, Титан) и комети също съдържат вода, метан и въглероден диоксид, които са подложени на натиск до няколко GPa.

Габриеле ни разказа за новата си работа, която наскоро беше приета за публикуване:

„Понякога се занимаваш с фундаментални науки, но след това намираш пряко приложение на придобитите знания. Например, наскоро изпратихме статия за публикуване, описваща резултатите от търсенето за всички стабилни съединения, направени от въглерод, водород и кислород при високо налягане. Открихме такъв, който е стабилен при много ниски налягания като 1 GPa , и се оказа, че е въглеродна киселина H 2 CO 3(фиг. 9). Проучих литературата по астрофизика и открих, че луните Ганимед и Калисто [луните на Юпитер] са съставени от вода и въглероден диоксид: молекули, които образуват въглеродна киселина. Така разбрахме, че нашето откритие предполага образуването на въглеродна киселина там. Ето за какво говорех: всичко започна с фундаменталната наука и завърши с нещо важно за изучаването на спътници и планети." .

Имайте предвид, че такива налягания се оказват ниски в сравнение с тези, които по принцип могат да бъдат намерени във Вселената, но високи в сравнение с тези, които действат върху нас на земната повърхност.

Така че понякога изучавате нещо за фундаментална наука, но след това откривате, че има правилно приложение. Например току-що представихме документ, в който взехме въглерод, водород, кислород при високо налягане и се опитахме да потърсим всички стабилни съединения. Намерихме един, който беше въглеродна киселина и беше стабилен при много ниско налягане като един гигапаскал. Изследвах литературата по астрофизика и открих: има спътници като Ганимед или Калисто. Върху тях има въглероден диоксид и вода. Молекулите, които образуват тази въглеродна киселина. Така разбрахме, че това откритие означава, че вероятно ще има въглеродна киселина. Това имам предвид под започване за фундаментално и откриване на нещо, което е приложимо към планетарната наука.

Друг пример за необичайна химия, който може да бъде цитиран, се отнася до добре познатата готварска сол NaCl. Оказва се, че ако можете да създадете налягане от 350 GPa във вашата солница, ще получите нови връзки. През 2013 г. под ръководството на А.Р. Оганов показа, че ако приложите високо налягане към NaCl, тогава необичайните съединения ще станат стабилни - например NaCl 7 (фиг. 10) и Na 3 Cl. Интересното е, че много от откритите вещества са метали. Габриеле Салех и Артем Оганов продължиха своята пионерска работа, в която показаха екзотичното поведение на натриевите хлориди под високо налягане и разработиха теоретичен модел, който може да се използва за прогнозиране на свойствата на съединенията на алкални метали с халогени.

Те описаха правилата, на които тези вещества се подчиняват при такива необичайни условия. Използвайки алгоритъма USPEX, няколко съединения с формула A 3 Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br) теоретично бяха подложени на натиск до 350 GPa. Това доведе до откриването на хлоридни йони в окислено състояние –2. "Стандартната" химия забранява това. При такива условия могат да се образуват нови вещества, например с химичната формула Na 4 Cl 3.

Фигура 10. Кристална структура на обикновената сол NaCl ( наляво) и необичайното съединение NaCl 7 ( на дясно), стабилен под налягане.

Химията се нуждае от нови правила

Габриеле Салех (фиг. 11) говори за своето изследване, насочено към описване на нови правила на химията, които биха имали предсказваща сила не само при стандартни условия, но биха описвали поведението и свойствата на веществата под високо налягане (фиг. 12).

Фигура 11. Габриеле Салех

„Преди две или три години професор Оганов откри, че толкова проста сол като NaCl под високо налягане не е толкова проста: натрият и хлорът могат да образуват други съединения. Но никой не знаеше защо. Учените направиха изчисления, получиха резултати, но остана неизвестно защо всичко се случва по този начин, а не по друг начин. Още от висшето си образование изучавам химическите връзки и в хода на изследванията си успях да формулирам някои правила, които логично обясняват случващото се. Проучих как се държат електроните в състава на такива съединения и стигнах до общите закони, характерни за тях при високо налягане. За да проверя дали тези правила са плод на въображението ми или все още са обективно правилни, предвидих структурите на подобни съединения - LiBr или NaBr и още няколко подобни. Всъщност се спазват общите правила. Накратко, видях, че има следната тенденция: когато прилагате натиск върху такива съединения, те образуват двуизмерна метална структура, а след това едномерна. Тогава, при много високо налягане, започват да се случват по-диви неща, защото тогава хлорът ще има степен на окисление -2. Всички химици знаят, че хлорът има степен на окисление -1, това е типичен пример от учебник: натрият губи електрон, а хлорът го отнема. Следователно, окислителните числа са съответно +1 и -1. Но не става така при високо налягане. Ние показахме това, използвайки някои подходи към анализа на химичните връзки. Освен това в хода на работата си потърсих специална литература, за да разбера дали някой вече е наблюдавал подобни модели. И се оказа, че да, го направихме. Ако не се лъжа, натриевият бисмутат и някои други съединения се подчиняват на описаните правила. Разбира се, това е само началото. Когато бъдат публикувани следните статии по темата, ще разберем дали нашият модел има реална предсказваща сила. Защото точно това търсим. Искаме да опишем химическите закони, които биха се спазвали дори при високо налягане " .

Преди две-три години професор Оганов откри, че простата сол NaCl при високо налягане не е много проста и ще се образуват други съединения. Но никой не знае защо. Направиха изчисление, получиха резултатите, но не можете да кажете защо се случва това. Така че, тъй като по време на моята докторска степен специализирах в изучаването на химическото свързване, изследвах тези съединения и открих някакво правило, за да рационализирам случващото се. Изследвах как се държат електроните в тези съединения и измислих някои правила, които този вид съединения ще следват при високо налягане. За да проверя дали правилата ми са само мое въображение или са верни, предсказвах нови структури на подобни съединения. Например LiBr или NaBr и някои комбинации като тази. И да, тези правила се оказват спазени. Накратко, само за да не съм много специалист, видях, че има тенденция: когато ги компресирате, те ще образуват двуизмерни метали, а след това едномерна структура на метала. И тогава при много високо налягане ще се случи още нещо диво, защото Cl в този случай ще има окислително число -2. Всички химици знаят, че най-ниското окислително число на Cl е -1, което е типичен пример от учебника: натрият губи електрон, а хлорът го получава. Така че имаме +1 и -1 окислителни числа. Но при много високо налягане вече не е вярно. Ние демонстрирахме това с някои подходи за анализ на химичното свързване. В тази работа също се опитах да разгледам литературата, за да видя дали някой е виждал този вид правила преди. И да, оказа се, че има такива. Ако не се лъжа, се оказа, че Na-Bi и други съединения следват тези правила. Това е само отправна точка, разбира се. Ще се появят другите документи и ще видим дали този модел има реална предсказваща сила. Защото това е, което търсим. Искаме да скицираме химията, която ще работи и за високо налягане.

Фигура 12. Структурата на вещество с химична формула Na 4 Cl 3, което се образува при налягане 125-170 GPa, което ясно демонстрира появата на "странна" химия под налягане.

Ако експериментирате, тогава избирателно

Въпреки факта, че алгоритъмът USPEX се отличава с голяма предсказваща сила в рамките на своите задачи, теорията винаги изисква експериментална проверка. Лабораторията по компютърно проектиране на материали е теоретична, както подсказва дори името й. Поради това експериментите се провеждат в сътрудничество с други изследователски екипи. Габриеле Салех коментира стратегията за изследване, приета в лабораторията, както следва:

„Ние не правим експерименти - ние сме теоретици. Но ние често си сътрудничим с хора, които го правят. Всъщност мисля, че като цяло е трудно. Днес науката е силно специализирана, така че не е лесно да се намери някой, който се занимава и с двете " .

Ние не правим експерименти, но често си сътрудничим с някои хора, които правят експерименти. Всъщност мисля, че всъщност е трудно. В днешно време науката е много специализирана, така че е трудно да се намери някой, който да прави и двете.

Един от най-ярките примери е прогнозата за прозрачен натрий. През 2009 г. в сп природатабяха публикувани резултатите от работата, извършена под ръководството на Артем Оганов. В статията учените описват нова форма на Na, в която той е прозрачен неметал, превръщащ се в диелектрик под налягане. Защо се случва това? Това се дължи на поведението на валентните електрони: под налягане те се притискат в празнините на кристалната решетка, образувана от натриеви атоми (фиг. 13). В този случай металните свойства на веществото изчезват и се появяват качествата на диелектрика. Налягане от 2 милиона атмосфери прави натрия червен, а 3 милиона атмосфери го прави безцветен.

Фигура 13. Натрий под налягане над 3 милиона атмосфери. В синьое показана кристалната структура на натриевите атоми, оранжево- снопове валентни електрони в кухините на структурата.

Малцина вярваха, че класическият метал може да прояви това поведение. Въпреки това, в сътрудничество с физика Михаил Еремец, бяха получени експериментални данни, които напълно потвърдиха прогнозата (фиг. 14).

Фигура 14. Снимки на пробата Na, получени с комбинация от пропуснато и отразено осветление.Към пробата бяха приложени различни налягания: 199 GPa (прозрачна фаза), 156 GPa, 124 GPa и 120 GPa.

Трябва да работим с блясък!

Артем Оганов ни каза какви изисквания поставя към служителите си:

„Първо, те трябва да имат добро образование. Второ, бъдете трудолюбиви. Ако човек е мързелив, тогава няма да го назнача, а ако изведнъж го назнача по погрешка, ще го изгонят. Няколко служители, които се оказаха мързеливи, инертни, аморфни, просто уволних. И смятам, че това е абсолютно правилно и добре дори за самия човек. Защото ако човек не е на мястото си, той няма да е щастлив. Той трябва да отиде там, където ще работи с огън, с ентусиазъм, с удоволствие. И това е добре за лабораторията и добре за хората. И онези момчета, които наистина работят красиво, с блясък, така че плащаме добра заплата, те ходят на конференции, пишат статии, които след това се публикуват в най-добрите световни списания, ще се оправят. Защото те са на място и защото лабораторията разполага с добри ресурси, за да ги поддържа. Тоест, момчетата не трябва да мислят за допълнителна работа, за да оцелеят. Те могат да се концентрират върху науката, върху любимия си бизнес и да го правят успешно. Сега имаме нови грантове и това ни отваря възможността да наемем още няколко души. През цялото време има състезание. Хората подават заявления през цялата година, разбира се, не ги вземам всички.... (2016). Кристален хидрат на 4-аминопиридин, метод за неговото производство, фармацевтичен състав и метод за лечение и/или профилактика на негова основа. физ. Chem. Chem. физ. 18 , 2840–2849;

Ma Y., Eremets M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. et al. (2009). Прозрачен плътен натрий. природата. 458 , 182–185;

Ляхов A.O., Оганов A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). Нови разработки в алгоритъма за прогнозиране на еволюционна структура USPEX. Компютър. физ. комун. 184 , 1172–1182.